Построение моделей систем обмена информацией с дискретным и распределённым запаздыванием и задержанной обратной связью
Автор: Ермолаев Валерий Андреевич, Кропотов Юрий Анатольевич, Проскуряков Александр Юрьевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Численные методы и анализ данных
Статья в выпуске: 3 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе исследуются вопросы построения моделей систем обмена информацией с дискретным и распределённым запаздыванием и задержанной обратной связью методами теории линейных функционально - дифференциальных уравнений. Показано, что при решении вышеуказанных уравнений учитываются ограничения, обусловленные неопределённостью моделируемой системы, которые заключаются в отсутствии точных сведений о параметрах элементов модели, их естественном разбросе и об изменениях во времени, что приводит к требованию решения задачи идентификации. Вводимые в работе модели с непрерывным последействием более полно учитывают характер отражённых сигналов в замкнутых пространствах, что повышает достоверность результатов моделирования по сравнению с известными дифференциально-разностными моделями. При этом возникает проблема нахождения функций, характеризирующих распределение запаздывания эха по величине. В работе эти функции (ядра) аппроксимируются рядом экспонент, что упрощает уравнения и позволяет принять последействие сосредоточенным как на конечном, так и на бесконечном интервале. Компоненты эха, обусловленные резонансами замкнутых пространств, моделируются передаточными функциями соответствующих линейных звеньев. При численном моделировании рассматривалась одноканальная модель, представленная резонансным звеном второго порядка и ядром импульсной формы, описываемой суммой двух убывающих экспонент. Анализ устойчивости моделей систем с задержанной обратной связью решался частотным методом. В работе рассмотрен подход к оцениванию корреляционных и спектральных функций сигналов и компонент шумовых составляющих, основанный на параметрическом представлении последних. В работе рассмотрены вопросы прикладного значения результатов исследований.
Функционально-дифференциальные уравнения, модель систем с задержанной обратной связью, эхо-сигналы, речевая связь, оповещение, аппроксимация функций распределения, распределённое запаздывание, идентификация
Короткий адрес: https://sciup.org/140250011
IDR: 140250011 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-655
Identification of the acoustic signal models of audio exchange systems under conditions of interference and acoustic feedback
In this paper questions of building models of information exchange systems with discrete and distributed delay and with delayed feedback by methods of the theory of linear functional differential equations are investigated. When solving the said equations, it is necessary to consider restrictions caused by the uncertainties in the system under modeling, such as the absence of the exact data on the parameters of the model elements, their natural spread and temporal variations, thus requiring the solution of an identification problem. The models with continuous aftereffect introduced in this work take a fuller account of reflected signal characteristics in closed space, which increases the reliability of modeling results in comparison with the known differential models. At the same time, there is a problem of finding functions that characterize the value distribution of the echo delay. In this work, these functions (kernels) are approximated by a number of exponents, which simplifies the equations and allows the assumption that the aftereffect can be concentrated on both final and infinite intervals. The echo components caused by closed-space resonances are modeled by transfer functions of the corresponding linear links. In numerical modeling, a single-channel model represented by a second-order resonance link and a pulse-shaped kernel described by a sum of two decreasing exponents is considered. The analysis of stability of the models of systems with delayed feedback is conducted by a frequency method. In the paper an approach to estimating the correlation and spectral functions of signals and noise components based on the parametric representation of the latter is considered. The paper also considers issues relating to the practical significance of the research results.
Список литературы Построение моделей систем обмена информацией с дискретным и распределённым запаздыванием и задержанной обратной связью
- Гурецкий, Х. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием / Х. Гурецкий. - М.: Машиностроение, 1974. - 328 с.
- Резван, В. Абсолютная устойчивость автоматических систем с запаздыванием / В. Резван. - М.: Наука, 1983. - 360 с.
- Цыкунов, А.М. Робастная синхронизация сети объектов с распределенным запаздыванием / А.М. Цыкунов // Автоматика и телемеханика. - 2015. - № 11. - С. 60-75.
- Цыкунов, А.М. Робастное управление для одного класса нелинейных объектов с распределенным запаздыванием / А.М. Цыкунов // Проблемы управления. - 2016. - № 3. - С. 16-22.
- Tchangani, A.P. Robust stabilization of delay systems with discrete or distributed delayed control / A.P. Tchangani, M. Dambrine, J.P. Richard. // Proceedings of the 37th IEEE Conference on Decision & Control. - 1998. - P. 4051-4056.
- Хартовский, В.Е. К задачам управляемости и идентифицируемости динамически систем со многими запаздываниями / В.Е. Хартовский // Автоматика и телемеханика. - 2005. - № 9. - C. 40-53.
- Хартовский, В.Е. Задачи идентификации и управления выходом для систем с запаздываниями / В.Е. Хартовский / В.Е. Хартовский // Автоматика и телемеханика. - 2011. - № 5. - С. 17-31.
- Erneux, T. Applied delay differential equations / T. Erneux. - New York: Springer, 2009. - 204 p.
- O'Brien, D. Optical communications through free space / D. O'Brien. - In: Handbook of optoelectronics. Applications of optoelectronics, Vol. III. / ed. by J.P. Dakin, R.G.W. Brown. - Chapter 31. - Broken, N.Y.: CRC Press, 2018. - P. 413-427.
- Mbe, J.H.T. Mixed-mode oscillations in slow-fast delayed optoelectronic systems / J.H.T. Mbe, A.F. Talla, G.R.G. Chengui, A. Coillet, L. Larger, P.W. Yanne, Y.K. Chembo // Physical Review E. - 2015. - Vol. 91. - 012902.
- Marquez, B.A. Interaction between Lienard and Ikeda dynamics in a nonlinear electro-optical oscillator with delayed bandpass feedback / B.A. Marquez, L. Larger, D. Brunner, Y.K. Chembo, M. Jacquot. // Physical Review E. - 2016. - Vol. 94. - 062208.
- Illing, L. Scaling behavior of oscillations arising in delay-coupled optoelectronic oscillators / L. Illing, G. Hoth, L. Shareshian, C. May // Physical Review E. - 2011 - Vol. 83. - 026107.
- Martines-Llinas, J. Tuning the period of square-wave oscillations for delay-coupled optoelectronic systems / J. Martines-Llinas, P. Colet, T. Erneux // Physical Review E. - 2014. - Vol. 89. - 042908.
- Lenstra, D. Relaxation oscillation dynamics in semiconductor diode lasers with optical feedback / D. Lenstra // IEEE Photonics Technology Letters. - 2013. - Vol. 25, Issue 6. - P. 591-593.
- Peil, M. Routes to chaos and multiple time scale dynamics in broadband bandpass nonlinear delay electro-optic oscillators / M. Peil, M. Jacquot, Y.K. Chembo, L. Larger, T. Erneux // Physical Review E. - 2009. - Vol. 79. - 026208.
- Лойко, Н.А. Нелинейная динамика лазерных систем с запаздыванием / Н.А. Лойко, А.М. Самсон // Квантовая электроника. - 1994. - Т. 21, № 8. - С. 713-728.
- Kouomou, Y.C. Chaotic breathers in delayed electro-optical systems / Y.C. Kouomou, P. Colet, L. Larger, N. Gastaud. // Physical Review Letters. - 2005. - Vol. 95. - 203903.
- Белоусов, П.П. Лазерная доплеровская визуализация поля скорости / П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов, Ю.Н. Дубнищев // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 29, № 2. - С. 157-162.
- Дубнищев, Ю.Н. Лазерная доплеровская визуализация поля скоростей с исключением влияния многочастичного рассеяния / Ю.Н. Дубнищев, Ю.В. Чугуй, Ю. Компенханс // Квантовая электроника. - 2009. - Т. 39, № 10. - С. 962-966.
- Глызин, С.Д. Релаксационные автоколебания в сетях импульсных нейронов / С.Д. Глызин, А.Ю. Колесов, Н.Х. Розов // Успехи математических наук. - 2015. - Т. 70, Вып. 3(423). - С. 3-76.
- Глызин, С.Д. Теория неклассических релаксационных колебаний в сингулярно возмущенных системах с запаздыванием / С.Д. Глызин, А.Ю. Колесов, Н.Х. Розов // Математический сборник. - 2014. - Т. 205, № 6. - C. 21-86.
- Мышкис, А.Д. Линейные дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом / А.Д. Мышкис. - М.-Л.: Гостехиздат, 1951. - 256 с.
- Kolmanovskii, V. Introduction to the theory and applications of functional differential equations / V. Kolmanovskii, A. Myshkis. - Dordrecht, Boston, London: Kluwer Academic Publishers, 1999. - 648 p.
- Красовский, Н.Н. Некоторые задачи теории устойчивости движения / Н.Н. Красовский. - М.: Физматлит, 1959. - 212 с.
- Беллман, Р. Дифференциально-разностные уравнения / Р. Беллман, К. Кук. - М.: Мир, 1967. - 548 с.
- Эльсгольц, Л.Э. Введение в теорию дифференциальных уравнений с отклоняющимся аргументом / Л.Э. Эльсгольц. - М.: Наука, 1971. - 296 с.
- Хейл, Дж. Теория функционально-дифференциальных уравнений / Дж. Хейл. - М.: Мир, 1984. - 421 с.
- Пинни, Э. Обыкновенные дифференциально-разностные уравнения / Э. Пинни. - М.: Издательство Иностранной Литературы, 1961. - 248 с.
- Topics in acoustic echo and noise control: Selected methods for the cancelation of acoustic echoes, the reduction of background noise, and speech processing / ed. by E. Hansler, G. Schmidt. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2006. - 642 p.
- Kuttruff, H. Room acoustics / H. Kuttruff. - London, New York: Spon Press, 2009. - 374 p.
- Канев, Н.Г. Реверберация в трапециевидном помещении / Н.Г. Канев // Акустический журнал. - 2013. - Т. 59, № 5. - С. 607-612.
- Канев, Н.Г. О максимальном поглощении звука резонатором Гельмгольца в помещении на низких частотах / Н.Г. Канев // Акустический журнал. - 2018. - Т. 64, № 6. - С. 752-755.
- Бобровницкий, Ю.И. Импедансный подход к проектированию эффективных поглотителей колебательной энергии / Ю.И. Бобровницкий, К.Д. Морозов, Т.М. Томилина // Акустический журнал. - 2017. - Т. 63, № 2. - С. 137-144.
- Бобровницкий, Ю.И. Модели и общие волновые свойства двумерных акустических метаматериалов и сред / Ю.И. Бобровницкий // Акустический журнал. - 2015. - Т. 63, № 3. - С. 283-294.
- Бобровницкий, Ю.И. Гистерезисное демпфирование и причинность / Ю.И. Бобровницкий // Акустический журнал, 2013, т. 59, № 3, с. 291-295.
- Ахунов, Х.Г. Условия когерентного сложения волн при обратном рассеянии звука в каналах при многолучевом распространении / Х.Г. Ахунов, Ю.А. Кравцов // Акустический журнал. - 1984. - Т. 30, № 2. - С. 145-148.
- Min, Q. Study of stepped acoustic resonator with transfer matrix method / Q. Min, W.-Q. He, Q.-B. Wang, J.-J. Tian, Q.-Y. Zhang // Acoustical Physics. - 2014. - Vol. 60, Issue 4. - P. 492-498.
- Сысоев, И.В. Определение параметров элементов и архитектуры связей в ансамблях связанных систем с запаздыванием по временным рядам / И.В. Сысоев, М.Д. Прохоров, В.И. Пономаренко, Б.П. Безручко // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84, Вып. 10. - С. 16-26.
- Сысоев, И.В. Реконструкция ансамблей осцилляторов с нелинейными запаздывающими связями / И.В. Сысоев, В.И. Пономаренко, М.Д. Прохоров // Письма в ЖТФ. - 2018. - Т. 44, Вып. 22. - С. 57-64.
- Сысоев, И.В. Идентификация структуры взаимодействий и собственных параметров элементов в сетях, состоящих из систем с задержкой / И.В. Сысоев, В.И. Пономаренко, М.Д. Прохоров // Письма в ЖТФ. - 2016. - Т. 42, Вып. 1. - С. 95-102.
- Пономаренко, В.И. Коллективная динамика идентичных бистабильных автогенераторов с запаздыванием, связанных через общее поле / В.И. Пономаренко, Д.Д. Кульминский, А.С. Караваев, М.Д. Прохоров // Письма в ЖТФ. - 2017. - Т. 43, Вып. 6. - С. 64-71.
- Ермолаев, В.А. Методы локального анализа и сглаживание временных рядов и дискретных сигналов / В.А. Ермолаев, Ю.А. Кропотов // Математическое моделирование. - 2017. - Т. 29, № 2. - С. 119-132.
- Ермолаев, В.А. Метод интерполяционной фильтрации в задачах обработки речевых сигналов во временной области / В.А. Ермолаев, О.Е. Карасев, Ю.А. Кропотов // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2008. - № 7. - С. 12-17.
- Ермолаев, В.А. Идентификация моделей дискретных линейных систем с переменными, медленно изменяющимися параметрами / В.А. Ермолаев, Ю.А. Кропотов, В.Т. Еременко, О.Е. Карасев // Радиотехника и электроника. - 2010. - Т. 55, № 1. - С. 57-62.