Математическая теория захватывания
Введение и краткое резюме
Настоящая работа посвящена исследованию движений
автоколебаний системы с одной степенью свободы под действием внешней
периодической силы. Такие движения представляют интерес для радиотелеграфии
(например, к исследованию таких движений сводится теория регенеративного
приемника). Особенно замечательно здесь явления так называемого
"захватывания". Это явление заключается в том, что, когда период
внешней силы достаточно близок к периоду автоколебаний системы, биения пропадают;
внешняя сила как бы "захватывает" автоколебания. Колебания системы
начинают совершаться с периодом внешнего сигнала, хотя их амплитуда весьма
сильно зависит от амплитуды "исчезнувших" автоколебаний. Интервал
захватывания зависит от интенсивности сигнала и от автоколебательной системы.
Теоретически этот вопрос уже разбирался, однако
методами математически недостаточно строгими; кроме того, бралась
характеристика весьма частного вида - кубическая парабола. Поэтому мы будем
рассматривать случай произвольной характеристики при колебаниях близких к
синусоидальных.
В этой работе мы рассмотрим периодические решения с
периодом, равным периоду внешней силы, и их устойчивость при малых отклонениях.
Мы оставим в стороне другие стационарные движения, возможные в исследуемой
системы, например периодические решения с периодом, кратным периоду внешней
силе, или квазипериодические решения. Мы оставим в стороне важный вопрос об
устойчивости при больших отклонениях
Для отыскания периодических решений воспользуемся
методом Пуанкаре, которые позволяют быстро решить задачу для случая колебаний,
достаточно близких к синусоидальным. С этой целью введем в наше уравнение
параметр m таким образом, чтобы при m = 0 уравнение превращалось в линейное и колебания делались
синусоидальными. Этот параметр m, который мы предполагать
достаточно малым, может иметь различный смысл в зависимости от выбора системы.
Для решения вопроса об устойчивости найденного решения
при малых отклонениях воспользуемся методами Ляпунова, требуя, чтобы искомые
решения обладали "устойчивостью по Ляпунову".
В настоящей работе мы не будем вычислять радиусы
сходимости тех рядов, с которыми нам придется иметь дело; грубая оценка
может быть сделана по Пуанкаре.
В § 1 и 2 рассматривается область достаточно сильной
расстройки; § 3 и 4 посвящены рассмотрению области резонанса; в § 5
показывается, как общие формулы для амплитуд и для устойчивости, полученные в §
1- 4, могут быть применены в конкретных случаях, причем в качестве примера
рассматривается случай Ван дер Поля. Результаты применения общих формул
совпадают с теми, которые получил нестрогим путем Ван дер Поль.
§ 1 Отыскание периодического решения в случае
достаточно сильной расстройки.
Уравнение,
которое нас будет интересовать:
При
m = 0 это уравнение имеет единственное периодическое
решение
Рассмотрим
случай, когда m бесконечно мало. Согласно Пуанкаре мы будем искать
решение (1) в следующем виде:
Начальные
условия выберем так:
F2 - степенной
ряд по b1 b2, m начинающийся с членов второго порядка. Подставим (3) в (1):
Сравнивая
коэффициенты при b1 b2, m получим уравнение для А, В, С.
Начальные условия можно получить для них, подставив (4) в (3).
Решая
задачи Коши, получим:
Для
того, чтобы (3) представляли периодические решения необходимо и достаточно,
чтобы
Введем
обозначения ;
для остальных функций аналогично.
Тогда
(6) запишется в виде:
Если
в этой системе можно b1 b2 представить
в виде функции m так, чтобы b1 b2, m исчезли из системы (7) , то (3)
- периодическое решение уравнения (1). Иначе Х- не периодично. Достаточным
условием существования периодического решения при малых m служит неравенство 0 Якобиана.
В
нашем случае:
Т.е.
мы всегда имеем периодические решения при малых m и любых f.
Искомое периодическое решение может быть найдено в виде.
§ 2 Исследование устойчивости периодического решения
Составим
уравнения первого приближения, порождаемое решением (8). Сделаем замену: x = Ф(t) + x ; в уравнении
(1) при этом отбросим члены , содержащие квадраты и высшие степени x и x'.
Воспользуемся
тем фактом, что Ф (t) - решение уравнения. Получим уравнение первого
приближения:
Это
линейное дифференциальное уравнение с периодическими коэффициентами. Его
решение мы будем искать в виде функции времени Удовлетворяют
тому же уравнению, что и x, то есть (10). Начальные
условия для них определены следующим образом.
; аналогичным образом можно показать, что
(11).
Представим
правую часть уравнения в виде степенного ряда по m.
будем искать в виде: (12).
Подставим
(12) в (10) и сравнивая коэффициенты при соответствующих степенях m, получим:
Начальные
условия для Ао , Во, …. Следует выбрать так, чтобы
выполнялись условия (11). Действительно подставляя (11) в (12) и сравнивая
коэффициенты при соответствующих степенях m, получим
Для
В'о и Во
аналогично. Для остальных же как видно из уравнений условия будут нулевые.
Итак:
(14)
Решение
(13) можно найти при помощи квадратур:
(15)
Если
вспомнить общую теорию линейных диффуров с периодическими коэффициентами, то
общее решение (10) имеет вид:
S1, S2 - периодические функции с тем же периодом, что и Ф (t). a1, a2 -
характеристические показатели.
Если
все , т.е. колебания затухают, то в этом
случае выполняется теорема, доказанная Ляпуновым, относительно того, что
периодическое решение уравнения первого приближения вполне устойчиво. Согласно
Пуанкаре характеристические показатели можно определить из следующего
уравнения:
=0 (16) Полагаем ;
Тогда
определитель будет:
Вопрос
об устойчивости, как сказано выше, решается знаком Re (a),
или что все равно ÷ l÷ . Если ÷ l÷
< 1 имеет место устойчивость ÷ l÷ = 1 этот случай для нашей задачи не представляет
интереса. ÷ l÷> 1 имеет место неустойчивость.
При
рассмотрении (18) имеют место 2 случая q > р2;
q < р2; В первом случае l-комплексные;
½l2 ½=q; (20) если q<1; устойчивость q>1
- неустойчивость.
Случай
второй - l - действительные: ;
(21) устойчивость соответствует p и q нетрудно
получить в виде рядов по степени m из формул (19)
(12).
(22)
Если
принять во внимание (15)
(22a)
(23)
Мы
видим, что при достаточно малом m и w¹n;
n ' Z вопрос об устойчивости решается
величиной q и следовательно знаком b, если b < 0-
имеет место устойчивость, b
> 0 - неустойчивость.
В
нашем случае b имеет вид:
(23a)
§ 3 Отыскание периодического решения в области
резонанса.
Тогда
l=mlо; w2 = 1+ aо
m, (24) (aо
, m - расстройка , реальный физический резонанс
наступает при aо ¹ 0).
(25)
При m = 0 периодическое решение будет
иметь вид : (26)
Следуя
Пуанкаре, мы можем предположить периодическое решение в виде:
(27);
Начальные
условия возьмем как и раньше:
Аналогично
тому, как мы это делали в предыдущих параграфах. Подставляем (27) в (25) и,
сравнивая коэффициенты при b1 b2, m и других интересующих нас
величинах, получим уравнение, которым удовлетворяет A, B, C, D, E, F. Начальные
условия для этих уравнений определим, если подставим (28) в (27).
(29)
Запишем
условия периодичности для (27):
Делим
на m:
( 30a )
Необходимым
условием существования периодического решения является:
Эти
уравнения определяют P и Q
решения (26), в близости к которому устанавливается периодическое решение. Они
могут быть записаны в раскрытой форме :
(31)
Для существования искомого периодического решения
достаточно неравенство 0 детерминанта: (см. § 1).
D, Е и их
производные найдутся из (29) при помощи формул аналогичных (15). Заметим, что
(30) мы можем определить b1, b2, в
виде рядов по степеням m. Таким образом, мы можем (27) как и в § 1 представить
в виде ряда.
(33)
P,Q-определяются
формулами (31) (32).
§ 4 Исследование устойчивости периодических решений в
области резонанса
Аналогично
тому, как мы это делали в § 2, составим уравнение первого приближения,
порожденное решением (33).
Решение
опять будем искать в виде . Однако нет
необходимости проделывать все выкладки заново. Воспользуемся результатами § 2,
приняв:
Из
формул (22) (34)
, тогда D - тот же Якобиан, что и (32). Распишем его:
(36)
;
Тогда,
зная функцию f, мы можем вычислить D в виде
функции P, Q и aо.
Заметим,
что равенство (23 а) в нашем случае имеет вид:
; (37)
Опираясь
на результаты исследования, полученных в § 2, нужно рассмотреть при
исследовании устойчивости два случая: (при достаточно малых m)
1) p2 - q < 0
2) p2 - q > 0
В
первом случае устойчивость характеризуется условием q < 1 или,
что то же самое b < 0.
Во
втором случае (*) последнее
может быть выполнено только, если b < 0, а D > 0. Нетрудно видеть, что необходимым достаточным
условием в обоих случаях является b < 0, D > 0. (Это можно получить из неравенства (*) ).
§ 5 Применение общих формул, полученных в предыдущих
параграфах, к теории захватывания в регенеративном приемнике для случая, когда
характеристика - кубическая парабола.
Мы
рассмотрим простой регенеративный приемник с колебательным контуром в цепи
сетки, на который действует внешняя сила Ро sin w1 t.
Дифференциальное
уравнение колебаний данного контура следующее:
(39)
Считая,
что анодный ток зависит только от сеточного напряжения, а также, что
характеристикой является кубическая парабола:
(40)
S-крутизна
характеристики, К - напряжение насыщения .
Далее,
вводя обозначения:
Получим
дифференциальное уравнение для х:
(41)
А:
(случай далекий от резонанса).
Для
него применяем результаты § 1, полагая.
Исходное
решение в не посредственной близости, к которому устанавливается искомое
решение следующее:
Если
w > 1, т.е. wо >
w1, то
разность фаз равна 0, если w <
1, то разность фаз равна p. В этом отношении все происходит в первом приближении
также, как и при обычном линейном резонансе. Устойчивость определяется знаком b (b < 0).
(42).
Т.е.
те решения, для которых выполняется это условие, устойчивы.
В:
(область резонанса , § 3, 4).
В
качестве исходного периодического решения, в непосредственной близости к
которому устанавливается искомое, будет решение следующего вида: x = P sin t + Q cos t (P, Q - const).
Запишем
уравнение, определяющее эти P и Q,
т.е. соотношение (31) для нашего случая.
Или преобразовав их, получим следующее:
Полагая Р = R sin j; Q = R cos j. Далее найдем для амплитуды R и фазы j для того исходного периодического решения,
в близости к которому устанавливается
рассматриваемое периодическое решение , соотношения связывающие их :
Первая
формула дает "резонансную поверхность" для амплитуды. Вторая - для
фазы. По (38) условия устойчивости имеют вид b < 0, D > 0. Считаем b и D через формулы (35-37).
(46)
Т.е.
решение является устойчивым, если удовлетворяется условие (**). В заключение
выпишем формулы для вычисления aо,
соответствующего ширине захватывания
для рассматриваемого случая.
a0 - является
общим корнем уравнений
2)
Сама
ширина Dw, отсчитанная от одной границы захватывания до другой выражается
следующим образом: Dw = aо w2о (MS - c r). Можно дать простые формулы для вычисления ширины захватывания в
следующих случаях:
а)
l2о << 1; Dw = wо Ро/Vоg.
б)
для очень сильных сигналов ( Vоg - амплитуда
сеточного напряжения при отсутствии внешней силы).
Список литературы
1.
Андронов А.А. Собрание
трудов, издательство "Академии наук СССР", 1956.
2.
Андронов А.А., Витт А.
К теории захватывания Ван дер Поля. . Собрание трудов, издательство
"Академии наук СССР", 1956.
3.
Ляпунов А. Общая задача
об устойчивости движения, Харьков, 1892.