專利名稱：一種隨機(jī)共振的耦合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制技術(shù)，特別地，涉及一種控制雙穩(wěn)系統(tǒng)中的隨機(jī)共振效應(yīng) 的隨機(jī)共振耦合控制方法。 —~背景技術(shù)隨機(jī)共振是以噪聲作為媒介引起微弱周期信號與非線性系統(tǒng)協(xié)同作用的非 線性現(xiàn)象。它描述了在一定量的噪聲背景中，非線性系統(tǒng)對微弱的周期信號能產(chǎn)生強(qiáng)烈的輸出響應(yīng)，存在著噪聲能量向信號能量轉(zhuǎn)移的機(jī)制。自1981年Benzi 等提出隨機(jī)共振這一概念以來，人們對隨機(jī)共振的規(guī)律及其在自然科學(xué)各個領(lǐng) 域的表現(xiàn)已經(jīng)有了較為深入的研究。但這些研究更多地是從觀察的角度而不是 從影響的角度來研究隨機(jī)共振，更重要的是作為自然科學(xué)研究的成果其最終目 的，總是離不開成功的應(yīng)用，而隨機(jī)共振的控制則是隨機(jī)共振應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 隨機(jī)共振控制或控制隨機(jī)共振就是要通過控制手段而有目的地強(qiáng)化或者產(chǎn)生隨 機(jī)共振，從而產(chǎn)生所需要的具有特定性質(zhì)的輸出響應(yīng)。控制隨機(jī)共振的一種最 直接的方法是改變系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)在給定的噪聲和信號作用下產(chǎn)生隨機(jī)共振 或使其產(chǎn)生的共振效應(yīng)更加強(qiáng)烈。然而，在實際應(yīng)用中，輸入的周期信號和噪 聲是給定的、其參數(shù)是不可改變的，而非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)往往也是固定的， 或者要改變其相關(guān)的勢壘高度或閾值是困難的或是不可能的，譬如神經(jīng)細(xì)胞， 集成電路等。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種隨機(jī)共振的耦合控制方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的， 一種隨機(jī)共振的耦合控制方法，包括以下步驟1) 將信號和噪聲引入一個固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)，經(jīng)該雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生輸出信號;2) 將固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)與另一參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)作非線性耦合，經(jīng)耦合作 用后的輸出結(jié)合原信號與噪聲一起再次作用到原固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)；3) 通過調(diào)節(jié)耦合項的可控制耦合系數(shù)與參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，觀 察固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出情況，以確定其是否發(fā)生隨機(jī)共振或者所發(fā)生隨機(jī) 共振的效應(yīng)大小。本發(fā)明的有益效果在于(1) 通過調(diào)節(jié)耦合單元中的可控制參數(shù)——耦合系數(shù);K，以及參數(shù)可變雙穩(wěn)系 統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)"的值，改變耦合系統(tǒng)的勢函數(shù)結(jié)構(gòu)。(2) 通過觀察被控雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出信號的變化，確定該雙穩(wěn)系統(tǒng)內(nèi)是否有隨機(jī) 共振發(fā)生，以及所發(fā)生的共振強(qiáng)度的大小。(3) 對信號、噪聲與雙穩(wěn)系統(tǒng)間并不滿足隨機(jī)共振的匹配條件、雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出 信號的信噪比和功率譜放大率都較小的情況下，采用耦合技術(shù)能有效地改 變雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)可控制參數(shù)可使信號、噪聲與雙穩(wěn)系統(tǒng) 之間能協(xié)同作用而產(chǎn)生隨機(jī)共振。(4) 該方法擴(kuò)大了隨機(jī)共振控制的可控制能力，并能極大地拓寬隨機(jī)共振的應(yīng)用范圍，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為隨機(jī)共振的耦合控制原理框圖；圖2為無耦合作用(;^0)下被控系統(tǒng)輸出信號的時域波形和相應(yīng)的功率譜圖(如0.05,￡ = 0.18,0 = 0.02冗，"0 =0.1,6。 =l,fl = l);圖3為耦合作用^ = -0.1)下被控系統(tǒng)輸出信號的時域波形和相應(yīng)的功率譜圖(爿=0.05 ，D = 0.18, = 0.027r，a。 =0.1,6。 =l,a = l);圖4為被控系統(tǒng)勢壘過高時，輸出x(O只在單一勢阱內(nèi)的波動情況示意圖； 圖5為被控系統(tǒng)勢壘過高時，經(jīng)耦合控制后的耦合系統(tǒng)0 = 0.35)兩個變量 和的時域波形圖O = 0.05,￡> = 0.18, = 0.02 r ,"。 = 0.5,6。 = 1 ，a = 1); 圖6為被控系統(tǒng)輸出;c(O只在穩(wěn)定點附近作小幅波動的波形圖； 圖7為"=1 、 y = 0.96時耦合系統(tǒng)兩個變量x(,)和y(O的時間波形圖。
具體實施方式
本發(fā)明將耦合控制理論與隨機(jī)共振原理相結(jié)合，提出了基于耦合控制的雙 穩(wěn)系統(tǒng)隨機(jī)共振的控制方法。該方法包括以下步驟一、 將信號和噪聲引入一個固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)，經(jīng)該雙穩(wěn)舉統(tǒng)產(chǎn)生輸出信號。 將信號SW = ^ COS(加)與噪聲"0作為輸入項，輸入固定參數(shù)的雙穩(wěn)系統(tǒng)x = 。x-V3，其中，。。和6。是雙穩(wěn)系統(tǒng)固有的不可改變的參數(shù)，實際應(yīng)用中的信 號S(0與噪聲",) 一般都不可控制，經(jīng)固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)得到的是不可控制的輸 出信號。二、 將固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)與另一參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)作非線性耦合，經(jīng)耦合作用 后的輸出結(jié)合原信號與噪聲一起再次作用到原固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)。將固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的不可控輸出信號輸入到耦合單元，與另一參數(shù)可變 的雙穩(wěn)系統(tǒng);^^-/，其中，"是雙穩(wěn)系統(tǒng)的可控參數(shù)作非線性耦合;oc2;K7x/)， 耦合系數(shù)為;r;所得耦合系統(tǒng)的勢函數(shù)具有四個勢阱，耦合系數(shù)y和參數(shù)"的變 化影響耦合系統(tǒng)的勢函數(shù)結(jié)構(gòu)，影響系統(tǒng)的隨機(jī)共振特性；耦合系統(tǒng)的輸出與 信號S(O、噪聲《W一起再次輸入到參數(shù)不可改變的原雙穩(wěn)系統(tǒng)。耦合控制過程中各變量與參數(shù)之間的關(guān)系可用如下的耦合方程來表示 i = "。x - Z 0x3 — "2 +爿cos(— +(1 )少二a^y —少3 一丌2} ， (2) 式中，"。和6。是雙穩(wěn)系統(tǒng)固有的參數(shù)，^C0S(W) (d《l是幅值、w是頻率) 是作用到系統(tǒng)的弱周期信號，W)是均值為零、自相關(guān)函數(shù)<鄰)"0)>=2加(/)的 高斯白噪聲。三、 通過調(diào)節(jié)耦合項的可控制耦合系數(shù)與參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，觀察 固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出情況，以確定其是否發(fā)生隨機(jī)共振或者所發(fā)生隨機(jī)共 振的效應(yīng)大小。調(diào)節(jié)耦合系數(shù)/和參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)"，觀察有耦合項輸入的固 定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出信號情況；參數(shù)y和"的變化將使系統(tǒng)的勢壘高度和 Kramers逃逸率發(fā)生變化，影響被控雙穩(wěn)系統(tǒng)的固有特性，經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)、 信號和噪聲的相互作用協(xié)同而產(chǎn)生隨機(jī)共振；分析被控雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號的變化情況就可確定雙穩(wěn)系統(tǒng)內(nèi)是否有隨機(jī)共振發(fā)生，以及所發(fā)生的共振強(qiáng)度的大 小，達(dá)到對隨機(jī)共振進(jìn)行控制的目的。該方法有效地控制隨機(jī)共振的產(chǎn)生和所產(chǎn)生的共振效應(yīng)強(qiáng)度大小，特別適 用于系統(tǒng)參數(shù)固定或難以改變的系統(tǒng)。具體來說，整個耦合控制方法主要由信號輸入端、參數(shù)固定雙穩(wěn)系統(tǒng)、參 數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)和耦合單元四大塊組成，其原理框圖如圖1所示。耦合單元的 作用是將參數(shù)固定雙穩(wěn)系統(tǒng)和參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)經(jīng)非線性耦合而成為多穩(wěn)態(tài)系 統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)具有比單一雙穩(wěn)系統(tǒng)更為豐富的動力學(xué)特性，其勢函數(shù)也具有 四個勢阱，耦合系數(shù)y和參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)"的變化都將影響耦合系 統(tǒng)的勢函數(shù)結(jié)構(gòu)，從而影響系統(tǒng)的隨機(jī)共振特性。調(diào)節(jié)參數(shù)H直的大小，觀察有 耦合項輸入的參數(shù)固定雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出變化情況，確定該被控雙穩(wěn)系統(tǒng)內(nèi)是否 有隨機(jī)共振發(fā)生，以及所發(fā)生的共振強(qiáng)度的大小，達(dá)到對系統(tǒng)內(nèi)隨機(jī)共振控制 的目的。參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的作用與耦合系數(shù)類似，就是提供可控參數(shù)O，改變 其大小與耦合系數(shù)一起控制被控雙穩(wěn)系統(tǒng)內(nèi)的隨機(jī)共振。以下通過實施例對本發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步解釋。分別以被控雙穩(wěn)系統(tǒng)的勢壘 偏低、偏高以及共振只在穩(wěn)定點附近發(fā)生三種情況為例，對雙穩(wěn)系統(tǒng)x-"。x-6。？ 的隨機(jī)共振進(jìn)行耦合控制。固定雙穩(wěn)系統(tǒng)的參數(shù)若為。。=0.1， 6。=1，作用到系 統(tǒng)的周期信號幅值^ = 0.05，頻率"=2^0.01，噪聲強(qiáng)度/) = 0.18時，由于雙穩(wěn)系 統(tǒng)的勢壘太低極容易在兩個勢阱內(nèi)運動，外作用的信號和噪聲與系統(tǒng)之間不存 在產(chǎn)生共振的匹配關(guān)系，如圖2所示。當(dāng)設(shè)定參數(shù)。=1，通過調(diào)節(jié)耦合系數(shù)y能 使系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振，經(jīng)耦合作用后，功率譜明顯增大，如圖3所示。對于系 統(tǒng)勢壘高度太高，x(/)只能在一個勢阱內(nèi)波動的情況，固定雙穩(wěn)系統(tǒng)的參數(shù)若為 "。=0.5,6。=1，作用到系統(tǒng)的周期信號幅值乂 = 0.05，頻率"=2冗.0.01，噪聲強(qiáng)度 D = 0.18，如圖4所示，系統(tǒng)與作用的信號、噪聲之間不滿足匹配條件而不能產(chǎn) 生隨機(jī)共振，也無法實現(xiàn)噪聲與信號之間的能量轉(zhuǎn)換。設(shè)定參數(shù)。=1，通過調(diào) 節(jié)耦合系數(shù)y能使系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振，如圖5所示。對于^)只在穩(wěn)定點附近作 小幅波動的情況，輸入信號和噪聲保持不變，系統(tǒng)參數(shù)取"。=1,6。=1，如圖6所 示。采用耦合控制方法，通過調(diào)節(jié)耦合系數(shù)/能使耦合系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)共振，如圖 7所示，為"=1、 / = 0.96時耦合系統(tǒng)兩個變量4/)和:^)的時間波形，可見W)在 略低于；=1附近作波動，而40在兩勢阱間振動?？梢?，耦合的作用是人為地 提高了被控雙穩(wěn)系統(tǒng)的勢壘高度，使信號、噪聲與耦合系統(tǒng)之間能協(xié)同作用而 產(chǎn)生隨機(jī)共振，實現(xiàn)了噪聲能量與信號能量的轉(zhuǎn)換，提高了輸出信號的品質(zhì)。
權(quán)利要求
1、一種隨機(jī)共振的耦合控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)將信號和噪聲引入一個固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)，經(jīng)該雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生輸出信號。2)將固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)與另一參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)作非線性耦合，經(jīng)耦合作用后的輸出結(jié)合原信號與噪聲一起再次作用到原固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)。3)通過調(diào)節(jié)耦合項的可控制耦合系數(shù)與參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，觀察固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出情況，以確定其是否發(fā)生隨機(jī)共振或者所發(fā)生隨機(jī)共振的效應(yīng)大小。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)共振的耦合控制方法，其特征在于，所述步驟(1)具體為將信號卯)=^一—與噪聲^)作為輸入項，輸入固定參數(shù)的雙穩(wěn)系統(tǒng) x = cvc-V3，其中，"。和6。是雙穩(wěn)系統(tǒng)固有的不可改變的參數(shù)，實際應(yīng)用中的信 號S(O與噪聲",)一般都不可控制，經(jīng)固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)得到的是不可控制的輸 出信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)共振的耦合控制方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為將固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的不可控輸出信號輸入到耦合單元，與另一參數(shù) 可變的雙穩(wěn)系統(tǒng)少=^-/，其中，"是雙穩(wěn)系統(tǒng)的可控參數(shù)作非線性耦合 耦合系數(shù)為y;所得耦合系統(tǒng)的勢函數(shù)具有四個勢阱，耦合系數(shù)y和 參數(shù)"的變化影響耦合系統(tǒng)的勢函數(shù)結(jié)構(gòu)，影響系統(tǒng)的隨機(jī)共振特性；耦合系統(tǒng) 的輸出與信號S(r)、噪聲"O一起再次輸入到參數(shù)不可改變的原雙穩(wěn)系統(tǒng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨機(jī)共振的耦合控制方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為調(diào)節(jié)耦合系數(shù);K和參數(shù)可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)"，觀察有耦合項輸入的固定參數(shù)雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出信號情況；參數(shù)y和"的變化將使系統(tǒng)的勢壘高度和 Kramers逃逸率發(fā)生變化，影響被控雙穩(wěn)系統(tǒng)的固有特性；經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)、 信號和噪聲的相互作用協(xié)同而產(chǎn)生隨機(jī)共振；分析被控雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號的變 化情況就可確定雙穩(wěn)系統(tǒng)內(nèi)是否有隨機(jī)共振發(fā)生，以及所發(fā)生的共振強(qiáng)度的大 小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隨機(jī)共振的耦合控制方法，該方法將兩個雙穩(wěn)系統(tǒng)經(jīng)非線性耦合而成為多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，將耦合的兩個雙穩(wěn)系統(tǒng)中的其中一個作為固定參數(shù)的被控系統(tǒng)，而另一個則是參數(shù)可調(diào)的控制系統(tǒng)，采用耦合系數(shù)和可變雙穩(wěn)系統(tǒng)的可控制參數(shù)對固定參數(shù)的雙穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行反饋耦合控制，該方法有效地控制隨機(jī)共振的產(chǎn)生和所產(chǎn)生的共振效應(yīng)強(qiáng)度大小，特別適用于系統(tǒng)參數(shù)固定或難以改變的系統(tǒng)。
文檔編號G05B11/32GK101236407SQ20081005981
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月4日
發(fā)明者方利民, 敏 林, 黃詠梅 申請人:中國計量學(xué)院