摘要
考虑一类单自由度齿轮动力学系统,其动力学方程表示为一个分段线性二阶微分方程.首先利用变步长龙格-库塔法求解其动力学响应,得到分岔图、相图和Lyapunov指数图;其次采用打靶法得到嵌入混沌吸引子中的不稳定周期1、2、4和6轨道;最后基于OGY方法把系统的混沌运动控制到上述轨道.研究表明OGY方法成功地实现了对单自由度齿轮系统的混沌控制,并讨论了噪声对混沌控制效果的影响.
2020-05-05收到第1稿,2020-07-05收到修改稿.
齿轮机构广泛应用于机械系统中,存在丰富的动力学现
1990年美国马里兰州大学Ott,Grebogi和York
本文考虑一类单自由度齿轮动力学模型,其动力学方程表示为一个分段线性二阶微分方程.通过龙格-库塔法求解其动力学响应,并采用打靶法得到了嵌入混沌吸引子中的不稳定周期1、2、4和6轨道.采用OGY方法把系统的混沌运动控制到上述轨道,并讨论了最大允许扰动的改变对轨道稳定化过程的影响以及噪声对混沌控制效果的影响.

图1 齿轮机构动力学模型
Fig.1 A dynamic model of gear mechanism
,—主动轮、从动轮的回转角
,—主动轮、从动轮的转动惯量
,—主动轮、从动轮的基圆半径
—齿轮啮合阻尼系数
—齿轮机构啮合综合误差
—齿轮副的周期时变的啮合刚度
,—作用在主动轮、从动轮上的转矩
,—主动轮、从动轮的质量
系统的运动方程表示为:
(1) |
若令
式中,为轮副的等效质量,为等效外部激励,为等效内部误差激励,则有.引入齿轮啮合线的相对位移坐标,将上述方程转化为:
(2) |
设齿轮副的齿侧间隙为,间隙分段线性函数为:
(3) |
将(2)式进行无量纲化处理:取b为坐标尺度,,,,,,,其中平均啮合刚度,为齿轮副的啮合圆周率,,,得:
(4) |
式中间隙分段线性函数为
(5) |
若刚度和啮合综合误差均取一阶谐波分量,则有:
(6) |
(7) |
式中,,,其中为时变啮合刚度幅值,为误差幅值,取啮合相位角.
设二维动力系统的映射方程为:
(8) |
式中,,为系统控制参数,且在微小的范围内变化,,为最大扰动幅值. 表示混沌吸引子上的不稳定不动点.控制思想是对迭代系统进行监控,直到接近期望的不动点,然后对进行微小的改变,使下一个状态落入不动点的局部稳定流形方向.在目标周期轨道微小邻域内,可以将动力系统近似看作线性,将方程(8)在处线性近似展开得到:
(9) |
这里,,,,,将矩阵进行奇异值分解:
(10) |
其中,,和,分别为矩阵特征值和特征向量,,为不动点的局部稳定和不稳定流形的方向.设,为其对应的逆变基矢量,满足关系,.落入不动点的局部稳定流形的条件为,,生成新的控制参数.表示为:
(11) |
当参数的绝对值小于最大允许扰动时才施加控制,否则,.
将微分方程(4)表示为:
(12) |
式中,为外激励周期,当时,系统出现混沌运动.设(12)式的解为,将连续系统离散化,定义Poincaré映射:
(13) |
设嵌入混沌吸引子内部的不稳定周期轨道为,满足,为周期轨道上的任意点.可将系统不稳定周期轨道表示为Poincaré映射上的不动点:
(14) |
定义,,则可以得到以下微分方
(15) |
(16) |
将上
取参数,,,.以激振频率为变参数,分析系统的动力学现象.
取,系统的分岔图和最大Lyapunov指数图分别如

图2 分岔图
Fig.2 Bifurcation diagram

图3 系统随激振频率变化的最大李雅普诺夫指数图
Fig.3 Largest Lyapunov exponents diagram of the system with varying excitation frequency
当时,系统的Lyapunov指数如

(a)

(b)
图4 时系统动力学:(a)李雅普诺夫指数图,(b)相图
Fig.4 Dynamics of the system:(a)Lyapunov exponents diagram, and (b)phase diagram, when
根据混沌理论,在混沌吸引子的闭区域内,存在无数条不稳定的周期轨

图5 嵌入混沌吸引子中的不稳定周期轨道
Fig.5 Unstable periodic orbits embedded in chaotic attractors
周期1:(0.7224, 0.0487)
周期2:(0.7032,0.3145),(0.2941,-0.1600)
周期4:(0.4165,0.3212),(0.5976,-0.1080),
(1.1417,0.2671),(-0.0414,-0.1475)
周期6:(0.7769,-0.0612),(0.8568,0.1372),
(0.4062,-0.0589),(1.1859,0.2924),
(-0.1239,-0.1662),(0.2611,0.3112)
这些周期轨道的稳定性可以由其Floquet乘子判别,分别为
由于4个周期轨道均有一个模大于1的Floquet乘子,所以轨道都是不稳定的.
现基于上述不稳定周期轨道,以作为控制参数,运用OGY方法进行混沌控制,每1000次迭代控制一个不同的周期轨道,顺序如下:1、2、4和6,分别取最大允许扰动和,周期轨道稳定化的控制图如


图6 时的控制效果:(a)系统响应图,(b)控制扰动
Fig.6 The effect of controlling when when :(a)System response diagram,(b)control disturbance


图7 时的控制效果:(a)系统响应图,(b)控制扰动
Fig.7 The effect of controlling when :(a)System response diagram, (b) control disturbance

(a) 100-200 seconds

(b) 1000-1100 seconds

(c) 2000-2100 seconds

(d) 3000-3100 seconds
图8 时间历程图
Fig.8 Time history responses

图9 控制扰动局部放大图
Fig.9 Local enlarged drawing of control disturbance

图10 ,不稳定周期轨道稳定后的系统相图
Fig.10 Phase diagrams of the unstable periodic orbits after being stabilized, when
本文考虑一类单自由度齿轮动力学模型,采用变步长龙格-库塔法求解其动力学响应,得到了分岔图、相图和最大Lyapunov指数图.采用打靶法找到了嵌入混沌吸引子中的不稳定周期1,2,4,6轨道,基于Floquet乘子判别其不稳定性.采用OGY方法把齿轮系统的混沌运动分别控制到上述不稳定周期1、2、4和6轨道,并讨论了噪声对混沌控制效果的影响.结果表明:每一个控制过程均需施加扰动,这是因为每次迭代之后的结果偏离了目标轨道,则需要微小扰动进行矫正.另外,若减少最大允许扰动,周期轨道稳定化时间将会相应的变长.最后,若系统在每一步迭代过程中施加一个随机噪声,目标轨道在控制过程中会猝发间隙,若增大噪声强度,出现间隙的频率变大,最终会使控制失效.
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