Кіріспе

Өзіндік тербеліс – кез келген сәйкес келетін периодтық жоқ қуат көзімен периодтық қозғалысты тудыру және сақтау. Осциллятордың өзі сыртқы қуаттың оған әсер ететін фазасын бақылайды. Өзіндік тербелістер, қозғалысты сақтайтын қуат сыртқы модуляция арқылы жүзеге асырылатын мәжбүрлі және параметрлік резонаторлардан өзгеше. Сызықты жүйелерде өзіндік тербеліс, кішкентай бұзылыстардың амплитудасы экспоненциалды түрде өсуіне себеп болатын теріс демпферлеумен байланысты тұрақсыздық ретінде көрінеді. Бұл теріс демпферлеу, тербеліс пен сыртқы қуат көзінің модуляциясы арасындағы оң кері байланысқа байланысты. Тұрақты өзіндік тербелістердің амплитудасы мен толқын пішіні жүйенің сызықты емес қасиеттерімен анықталады. Өзіндік тербелістер физика, инженерия, биология және экономика салаларында маңызды.

Тақырыптың тарихы

Өзіндік тербелістерді зерттеу 1830 жылдардың басына, Роберт Уиллис пен Джордж Биделл Эйридің дауыс жолдарының адам даусының пайда болу механизмін зерттеуімен басталады. Өзін-өзі тербелудің тағы бір мысалы, орталықтандырылған басқарушылардың тұрақсыз жұмысына байланысты, 1867 жылы Джеймс Клерк Максвелл математикалық тұрғыдан зерттеді. 1896 жылы жарық көрген "Дыбыс теориясы" атты еңбегінің екінші басылымында Лорд Рейли механикалық және акустикалық өздігінен тербелістерді (оларды "ұсталып тұратын тербеліс" деп атады) қарастырды және олар үшін қарапайым математикалық модель ұсынды. "Өзін-өзі тербеліс" термині (осы терминді "автотербеліс" деп те аударады) динамикалық жүйелердің құрылымдық тұрақтылығының математикалық теориясы аясында зерттеген кеңес физигі Александр Андроновпен қалыптасты. 20 ғасырда Андре Блондел, Балтазар ван дер Пол, Альфред Мари Линар және Филипп Ле Корбейлер бұл тақырыпта маңызды теориялық және тәжірибелік жұмыстар жасады. Осы құбылыс кейде "ұсталып тұратын", "сақталатын", "өзін-өзі қозғайтын", "өзін-өзі тудыратын", "спонтанды" немесе "автономды" тербеліс деп те аталады. Механикалық инженерлік әдебиеттерде қажетсіз өздігінен тербелістер "қоздырылу", ал электроникада "паразиттік тербелістер" деп белгілі.

Математикалық негіз

Өзіндік тербеліс динамикалық жүйенің статикалық тепе-теңдігінің сызықтық тұрақсыздығы ретінде көрінеді. Мұндай тұрақсыздықты диагностикалау үшін екі математикалық тест қолданылуы мүмкін: Раут-Гурвиц және Найквист критерийлері. Тұрақсыз жүйенің тербелісінің амплитудасы уақыт өте келе экспоненциалды түрде өседі (яғни, кішігірім тербелістер теріс демптелген), сызықтық емес факторлар маңызды болып, амплитуданы шектейтінге дейін. Бұл тұрақты және үздіксіз тербеліс туғызады. Кейбір жағдайларда өзіндік тербеліс жабық контурдағы уақыт кешігуінен туындайтын болып көрінеді, бұл xt айнымалысының өзгеруін бұрынғы уақытта есептелген xt1 айнымалысына байланысты етеді. Өзіндік тербелістердің қарапайым математикалық модельдері теріс сызықтық демптеу және оң сызықтық емес демптеу мүшелерін қамтиды, бұл Хопф бифуркациясына және лимит циклдердің пайда болуына әкеледі. Ван дер Поль осцилляторы – математикалық әдебиетте кеңінен қолданылған осындай модельдердің бірі.

Темір жол және автомобиль дөңгелектері

Темір жол доңғалақтарындағы серпіліс тербелісі және автомобиль дөңғалақтарындағы дірілдеу, жайсыз дірілдеуге себеп болуы мүмкін, ал ең нашар жағдайларда пойыздардың рельстен шығуына және автомобильдердің бақылауын жоғалтуына әкелуі мүмкін.

Орталық жылу термостаттары

Алғашқы орталық жылу жүйесінің термостаттары тым жылдам реакция жасағандықтан өздігінен тербеліске түсіп, тұрақсыздыққа ұшырады. Бұл мәселе гистерезис арқылы шешілді, яғни олар температура белгіленген мәннен белгілі бір минималды шамаға өзгергенде ғана күйін өзгертетін болды.

Автоматты берілістер

Өзін-өзі күшейтіп тербеліс ерте автоматты беріліс конструкцияларында көлік екі берілістің оптималды жылдамдықтары арасындағы жылдамдықпен қозғалғанда пайда болатын. Ондай жағдайларда беріліс жүйесі осы екі беріліс арасында тоқтаусыз ауысып тұратын, бұл жүргізушіге ыңғайсыздық туғызып, беріліске де зиян келтіретін. Бүгінде мұндай әрекет жүйеге гистерезис енгізу арқылы болдырмайды.

Бағытты түзетуді кешіктіргенде көлік құралдарын басқару

Кешіктірілген бағыт түзетулерден туындаған өзін-өзі күшейту тербелісінің көптеген мысалдары бар, мысалы, күшті желдегі жеңіл ұшақтардан бастап, тәжірибесіз немесе мас жүргізушінің автомобильді бағытсыз басқаруына дейін.

SEIG (өздігінен қозғайтын индукциялық генератор)

Егер индукциялық мотор конденсаторға қосылса және білігі синхронды жылдамдықтан жоғары айналса, ол өзін-өзі қоздыратын индукциялық генератор ретінде жұмыс істейді.

Өзін-өзі қозғайтын таратушылар

Көптеген ерте радио жүйелері өздерінің тарату тізбегін реттеу арқылы, жүйенің қажетті жиіліктегі радио толқындарын автоматты түрде жасауын қамтамасыз ететін. Бұл конструкция, енді қажетті қуатқа дейін күшейтілетін сигналды беру үшін жеке осциллятор қолданатын конструкцияларға ұшырады.

Биологиядағы популяциялық циклдер

Мысалы, егер шөп жейтін жануарлардың популяциясы жыртқыштардың салдарынан азайса, бұл сол жыртқыштардың популяциясының төмендеуіне әкеледі. Жыртқыштардың санының азаюы шөп жейтін жануарлардың популяциясының өсуіне мүмкіндік береді, ал бұл жыртқыштардың популяциясының қайта өсуіне жағдай жасайды, және т.б. Мұндай циклдарды уақыт бойынша кешіктірілген дифференциалдық теңдеулердің жабық циклдары толыққанды түсіндіреді, мұнда кешігулер негізінен қатысты түрлердің өршу циклдарымен байланысты.