非线性环境取能系统随机动力学问题研究

With the progress and development of human society,the new energy source need to be found and the efficient powering of small portable electronic devices should be solved. How where and when necessary we can have power sources colocated with microdevices, namely, we can achieve effieciently the transition from the ambient energy to the electronic energy, whether this be electro-magnetic (light), thermal, mechanical,or other energy in nature, which is the so-called ambient energy harvesting, is the research project possessing a wide applied prospect and full of challenge. The traditional approach is based on the resonant tuning of the linear machanica oscillator. However, the geometrical factors of the oscillators and the energy spectra distributon of low frequency components restrain the efficiency of the amvbient harvesting. If we use nonlinear oscillator, we can break through the limit of the two factors,so that we can efficiently enhance the efficiency of the ambient energy harvesting. Recently, the frontier field of the research is to make the experiment of a generic piezoelectric oscillator and to construct the corresponding physics model. In the work, putting various ambient force and various internal factors of the system as stochastic force, and considering output voltage feedback and the time delay, using the stochastic dynamics method we construct and emptimize the model of a nonlinear harvesting the ambient energy, so that we can get the optimal model and the optimal approach, instruct the experiment study and the applied exploitation, and enhance the efficiency. And by research, we can further enrich the content of the statistic physics and expedite the development of science.

随着人类社会的进步和发展，新能源、便捷能源的开发迫在眉睫。如何不受时间、地点的限制，及时有效地给便携式电子器件补充电能，即能有效地实现环境中电磁能(光能)、热能、机械能等的电能转换，称作环境取能或环境充电，这是一个有广泛应用前景、充满诱惑和挑战的研究课题。传统的方法是通过线性机械振荡器的共振加以实现。然而，调谐器的几何限度和能谱的低频分布限制了这种方法的取能效率。如果采用非线性振荡器则可以突破这两种因素的限制，有效地提高取能效果。目前，具有前沿性的研究方向是非线性压电振荡器能电转换实验和相关物理模型的建立。本项目把不同的环境作用力、内在因素的影响看作随机力，考虑输出电压的反馈和时间延迟作用等，用随机动力学方法构建和优化非线性环境取能系统，寻求最佳模型和途径，指导环境取能的实验研究和应用开发，提高取能效率。同时，通过研究，丰富统计物理学内容，促进学科发展。

随着人类社会的进步和发展，新能源、便捷能源的开发已成为人们所要迫切解决的问题。目前，具有前沿性的研究方向是压电振荡器能电转换实验和相关的随机动力学物理模型的提出。本项目把不同的环境作用力、内在因素的影响看作随机力，考虑输出电压的反馈延迟作用等，从理论上进一步分析研究了非线性环境取能系统的随机动力学性质, 获得了重要而有意义的成果。.课题研究涉及两维、三维的非线性随机微分方程的的求解，推导给出了两维、三维随机微分方程和相应有时间延迟的随机微分方程的模拟求解方法。研究了自洽随机系统时间延迟效应研究，发现了时间延迟诱导的新一类相干共振；揭示了非线性时间延迟诱导的相干共振和反相干共振；采用渐进无穷求解法，研究了非线性环境取能系统在高通条件下的稳态统计性质；采用随机数值模拟方法，研究了非线性环境取能系统的动力学变量自相关和互相关性，揭示随机系统的震荡衰减的相关性；项目分析了高维随机微分方程闭合求解法，找到了求解非线性环境取能系统的近似解析求解法，得到了非线性环境取能随机系统的动力学变量、振荡速度和输出电压的几率密度分布函数的解析式，研究了非线性环境取能随机系统的随机动力学性质，分析系统相关因素对系统输出的影响，发现了非线性环境取能系统噪声诱导的反相干共振，系统时间常数提升了系统的输出功率，随机系统的非线性势能函数的偶次方指数衰减了系统的输出功率，提高了系统输出的稳定性。考虑实际系统输出电压的时间延迟，研究系统时间延迟对系统动力学变量相关性的影响，时间延迟加强了动力学变量和输出电压间的互相关强度，提高了系统的输出功率。.研究成果对环境取能的实验研究，优化模型、提高取能效果具有重要的理论指导意义，研究方法有新的突破，研究成果进一步丰富了统计物理学随机动力学内容，促进了学科发展，具有重要的学术价值和应用价值。