Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Self oscillation is the generation and maintenance of a periodic motion by a source of power that lacks any corresponding periodicity. The oscillator itself controls the phase with which the external power acts on it. Self oscillators are therefore distinct from forced and parametric resonators, in which the power that sustains the motion must be modulated externally. In linear systems, self oscillation appears as an instability associated with a negative damping term, which causes small perturbations to grow exponentially in amplitude. This negative damping is due to a positive feedback between the oscillation and the modulation of the external source of power. The amplitude and waveform of steady self oscillations are determined by the nonlinear characteristics of the system. Self oscillations are important in physics, engineering, biology, and economics.
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.
The study of self oscillators dates back to the early 1830s, with the work of Robert Willis and George Biddell Airy on the mechanism by which the vocal cords produce the human voice. Another instance of self oscillation, associated with the unstable operation of centrifugal governors, was studied mathematically by James Clerk Maxwell in 1867. In the second edition of his treatise on The Theory of Sound, published in 1896, Lord Rayleigh considered various instances of mechanical and acoustic self oscillations (which he called "maintained vibration") and offered a simple mathematical model for them. The term "self oscillation" (also translated as "auto oscillation") was coined by the Soviet physicist Aleksandr Andronov, who studied them in the context of the mathematical theory of the structural stability of dynamical systems. Other important work on the subject, both theoretical and experimental, was due to André Blondel, Balthasar van der Pol, Alfred Marie Liénard, and Philippe Le Corbeiller in the 20th century. The same phenomenon is sometimes labelled as "maintained", "sustained", "self exciting", "self induced", "spontaneous", or "autonomous" oscillation. Unwanted self oscillations are known in the mechanical engineering literature as hunting, and in electronics as parasitic oscillations.
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.
Self oscillation is manifested as a linear instability of a dynamical system's static equilibrium. Two mathematical tests that can be used to diagnose such an instability are the Routh–Hurwitz and Nyquist criteria. The amplitude of the oscillation of an unstable system grows exponentially with time (i. e., small oscillations are negatively damped), until nonlinearities become important and limit the amplitude. This can produce a steady and sustained oscillation. In some cases, self oscillation can be seen as resulting from a time lag in a closed loop system, which makes the change in variable xt dependent on the variable xt 1 evaluated at an earlier time. Simple mathematical models of self oscillators involve negative linear damping and positive non linear damping terms, leading to a Hopf bifurcation and the appearance of limit cycles. The van der Pol oscillator is one such model that has been used extensively in the mathematical literature.
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.
Hunting oscillation in railway wheels and shimmy in automotive tires can cause an uncomfortable wobbling effect, which in extreme cases can derail trains and cause cars to lose grip.
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.
Early central heating thermostats were guilty of self exciting oscillation because they responded too quickly. The problem was overcome by hysteresis, i. e., making them switch state only when the temperature varied from the target by a specified minimum amount.
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.
Self exciting oscillation occurred in early automatic transmission designs when the vehicle was traveling at a speed which was between the ideal speeds of 2 gears. In these situations the transmission system would switch almost continuously between the 2 gears, which was both annoying and hard on the transmission. Such behavior is now inhibited by introducing hysteresis into the system.
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.
There are many examples of self exciting oscillation caused by delayed course corrections, ranging from light aircraft in a strong wind to erratic steering of road vehicles by a driver who is inexperienced or drunk.
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.
If an induction motor is connected to a capacitor and the shaft turns above synchronous speed, it operates as a self excited induction generator.
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.
Many early radio systems tuned their transmitter circuit, so the system automatically created radio waves of the desired frequency. This design has given way to designs that use a separate oscillator to provide a signal that is then amplified to the desired power.
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.
For example, a reduction in population of an herbivore species because of predation, this makes the populations of predators of that species decline, the reduced level of predation allows the herbivore population to increase, this allows the predator population to increase, etc. Closed loops of time lagged differential equations are a sufficient explanation for such cycles in this case the delays are caused mainly by the breeding cycles of the species involved.