От автоколебаний к самоорганизации

 

Для пояснения поведения открытых систем и их постижения удобным является использование аппарата нелинейных колебательных систем, разработанного в радиоэлектронике и связи, на фазовых портретах, изображенных на рис.9.

Первая автогенераторная система называется сис­темой с мягким возбуждением – любой электрический толчок (например, подключение источника питания) наводит в резонансной структуре некоторое иm и сис­тема из первоначального состояния неустойчивого равновесия m= 0) попадает в область Р+ > Р (причем с плюсом – активность, с минусом – пассивность). При этом избыток энергии > 0 тратится на увеличение напряженности поля в резонаторе. Этот процесс продолжается до точки устойчивого динамического равновесия при иm = иs (движение показано стрелкой). Если какая-то внешняя сила выведет систему из этого состояния, например в область Р-+, то <0 и система должна уменьшить иm, так как энергии источника недостаточно для поддержания колебаний с такой амплитудой.

 

 

 

Рис.9. Виды режимов возбуждения колебательных и самоорганизующихся систем

 

Следовательно, система самостоятельно вернется в точку равновесия иm = иs (стрелка направлена справа налево). Во втором случае режим самовозбуждения называется жестким. В начальной области (малые иm) Р > Р+ и поведение системы аналогично только что рассмотренному случаю автогенератора с мягким возбуждением – система вернется в точку устойчивого равновесия при иm = 0 (стрелка к началу координат). Таким образом, для выведения системы из состояния равновесия к ней необходимо приложить некоторый первоначальный толчок, обеспечивающий попадание ее в область иm > иs1. Поведение системы с жестким возбуждением при иm > иs1 в точности такое же, как и у автогенератора с мягким режимом самовозбуждения. Точка иm = иs1 является точкой неустойчивого равно­весия.

В нижней части рис.11 показано поведение мягкого и жесткого возбуждения автогенераторов на фазовой плоскости. Точкам равновесия на фазовой плоскости соответствуют предельные циклы колебаний (выделены жирными замкнутыми линиями). В теории колебаний доказаны теоремы существования и единственности предельных циклов.

Наличие на фазовой плоскости у некой исследуемой колебательной системы устойчивого предельного цикла свидетельствует о существовании в ней незатухающих колебаний.

Для всех типов генераторов общий принцип генерирования колебаний таков: генерирование колебаний есть процесс преобразования энергии некоторого источника (не обязательно электромагнитной природы) в энергию электромагнитных колебаний (или волн).

Таким образом, существуют два основных способа получения колебаний: за счет энергии источника постоянного тока (к примеру, электронные приборы) или за счет преобразования одних электромагнитных колебаний в другие с нужными параметрами (например, частотой). Наиболее характерными примерами последнего способа получения колебаний являются параметрические и квантовые генераторы.