文摘
我们建议采用一阶RC滤波器稳定,基于一个电容器,不稳定不动点的控制振荡器的数组。一个电容器足以稳定整个数组,如果振荡器耦合不够强烈。组成的一个数组,24 - 30平均场耦合FitzHugh-Nagumo (FHN)类型不对称振子,被认为是一个案例研究。调查已经进行使用分析,数值和实验方法。分析研究是基于平均场方法,特征方程的特征值,使用煤和Routh-Hurwitz稳定标准赫维茨矩阵来计算耦合系数的阈值。实验已经进行了硬件电子模拟、模仿FHN振子的动态数组的行为。
1。介绍
大量的自适应控制技术已经发展到目前为止稳定不稳定不动点(UFP)的动力系统。这些包括导数控制(1- - - - - -3),跟踪滤波器技术,基于一阶RC低通和高通滤波器(4- - - - - -9],陷波滤波器技术,采用两个二阶维恩电桥过滤器不相称的共振频率(10]。延迟反馈技术,尽管最初设计控制混乱,也就是说,稳定不稳定周期轨道(11,12),在适当的参数设置也可以稳定UFP [5,6,13- - - - - -19]。
上述技术可以稳定不稳定节点(UFP偶数的真正积极的特征值,例如, 和特征值的虚部,即, )和不稳定螺旋(UFP偶数的复杂特征值与正真实的部分,例如, )。然而,失败的方法来稳定马鞍类UFP,更具体地说,UFP数为奇数的实特征值,例如, , 。解决问题的奇数限制,Pyragas和合作者提出使用一阶滤波器不稳定(20.,21]。这是一个优雅的想法打击一个不稳定的另一个不稳定。的方法演示了各种数学模型和实验系统(20.- - - - - -23]。后一个不稳定的过滤控制开发稳定马鞍类UFP保守和弱阻尼系统(24- - - - - -26]也延迟的影响下(惯性)反馈回路的控制器。
一阶RC滤波器,基于一个电容器,以及其他方法为稳定UFP已经开发应用于单个振子。问题因此出现:一个电容器稳定的振荡器网络吗?答案取决于网络的属性。显然,如果数组中的振荡器是分开或弱耦合、单个电容器是不足以控制整个网络。每个人应向振荡器提供一个单独的控制器。这样的应用程序解决方案是不切实际的。然而,当振子耦合足够强烈,可以预计,可以稳定整个网络使用一个控制器。
在本文中,我们演示稳定网络的可能性分析,数值和实验。
2。数学模型及其分析
具体我们考虑FitzHugh-Nagumo数组(FHN)振荡器27),在文学也被称为Bonhoeffer-van der波尔(BVP)振荡器28,29日]。FHN(或BVP)振荡器是一个简化版的Hodgkin-Huxley (HH)振荡器,模仿飙升神经元的动力学(30.]。一组FHN振子所描述的 在这里是一个非线性函数的近似three-segment分段线性函数(31日] 在(2) 。因此,是一个本质上的非对称函数,与普通FHN或者BVP立方函数(27- - - - - -29日]。偏差参数在(1)为每个单独的振荡器是故意将不同从而使他们不恒等的单位。
一组平均场耦合星耦合振子画在图1。
数组在图1等于2<我>N我>维系统 在这里变量的平均值吗
当一个RC跟踪滤波器应用于Ctrl节点(图1)网络的总体系统变成了( 维系统 截止频率过滤器应该低( ),以确保跟踪控制系统的状态。注意,与(相比3),在第一个方程的意思被替换为其过滤变量。一个振荡器(的情况下 ,产生三维系统)一直在研究[31日]分析2<我>N我>维系统(3)和( 维系统(5)是非常复杂的。因此,我们考虑一个平均场方法。获得的平均场变量是通过直接平均的变量和和参数对所有振荡器在(3)和(5),分别为: 请注意,(6)缺乏这个词,因为 。
为 和 稳态解(1),(6)和(7一个)是由以下不动点: 注意,RC跟踪滤波器(7一个)不改变固定点的位置:比较(10)和(9)。的值(10)是独立的,因为 和耦合项( )(7一个不动点)消失。固定的点(9)和(10)在形式上类似于个人非耦合振子的不动点(8),除了固定的点(9)和(10)是单点,而(8)的收益率相空间中的点。
从微分方程对应的特征方程,获得了(11使用标准程序),有以下代数形式: 在哪里 , , 。
定点的字段是稳定的,如果真正的所有三个部分特征值是负的。方程(12)数值求解了不同耦合系数的值<我>k我>(图2)和阈值,最大的 ,被发现。
(一)
(b)
此外,稳定的必要和充分条件可以估计从赫维茨矩阵分析 根据Routh-Hurwitz稳定性判据 如果所有对角线的未成年人矩阵是积极的
我们开始分析。自应该积极根据第二个不平等,第三不平等吗可以简化为 。这可以进一步简化 ,因为 通过定义。的不平等 总是感到满意,因为它被用来推导出固定的点(8)- (10)。因此,剩下的第一和第二的不平等(14)。我们定义的阈值要求为 两个未成年人,和是积极的。第一个小 很简单,很容易得到: 图中给出的参数值2, 。第二个不平等(14)是更多的麻烦和二次方程对收益率。 在哪里 , , 。
解析解(16) 给两个不同的值: 和 。最后,我们获得 = 3.23,这是一个很好的协议与数值结果,来自图2 (b),在那里穿过横坐标轴 。
3所示。数值结果
系统(5使用M)数值求解ATHEMATICA,9.0版本的软件包。结果呈现在图3。的波形是变量(图3(一个))和个人的振荡器(图3 (b)),看起来几乎一样,因为数组是同步的。其他变量,而不是显示在图3,也有类似的形式,只有小相移,为不全同的元素如预期。的主要区别是UFP值由于不同的偏差参数。不动点之间的差异个人的振荡器( )由定点了光谱,呈现在图4。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
值得注意的是,稳定可以实现UFP的同步(分开)数组(图3 (c))应用整个控制项 在(5) 足够大的系数 。然而,这一特性非常重要,从理论的角度。这个词 在(5每个人都可以)意味着它控制振荡器””。很容易在一个数学模型,但是在实践(实验)的情况下,它需要直接访问每一个神经元振荡器。此外,从实用的角度,特别是对于一个可能的应用程序不需要神经系统稳定UFP,如果振荡器不同步。同步振荡器产生低意味着,左手部分(即可见一斑 在图)的阴谋3 (c)。对于较大的数组 ,意味着领域变得更低。我们回想一下,在本文中,我们考虑的情况下耦合和同步振荡。
在图4(一), 是在良好的协议与计算出的值(9)。在耦合的情况下,稳定的数组(图3 (b))光谱窄与非耦合振子的情况相比,由于振子之间的强相互作用。在数据3(一个),3 (c),4 (b) 。它的价值是一致的在图4(一)。
4所示。实验装置
实验进行了使用电子模拟数组,由30平均场耦合FHN型振荡器和其他地方的详细描述32]。这个电子数组被雇佣前实现实验都排斥同步(33,34)和平均场取消技术(34,35]。
个体FHN振荡器类型呈现在图5(一个)。无量纲变量,,,<我>t我>,以及参数,<我>b我>,<我>c我>,<我>d我>,,介绍了(5)、电气相关值的模拟电路(图5)在以下方式: 在这里断点电压的二极管的电流电压特性。
(一)
(b)
负电阻”“在图5 (b)已经实现的负阻抗变换器(图6)[36]。NIC的输入电阻 。电容器与负电阻””系列不应被混淆与不稳定的RC滤波器,用来稳定马鞍类UFP [25,26]。这里的““只是补偿积极缓冲电阻的网络。RC跟踪滤波器实际上是由耦合电阻(图1)和电容器;也看到截止频率的定义在(18)。
5。实验结果
实验波形已通过数码相机的屏幕多通道模拟示波器和图所示7。
数值结果(图相类似3)实验波形图7展品负稳定状态(非零值是由于直流偏压在图5(一个))。而控制电流在图7在相对较短的暂态过程之后就变得很小很小。
6。讨论
这里执行的调查本身并不是目的。这项研究的目的是实际的搜索技术抑制神经元活动数组。人们普遍认为强大的同步强化大脑神经元导致帕金森病的症状(37]。
潮湿的神经元飙升的一个最简单的方法是外部刺激大脑的某些区域,并有很强的高频(约100到150赫兹)周期性脉冲。这是一个传统的临床批准治疗帕金森病症状的患者,所谓脑深部电刺激(DBS) (38- - - - - -40]。不幸的是,DBS治疗往往是伴随着不良副作用。在最近的论文(41- - - - - -43),证明了高频迫使最终稳定的UFP神经元振荡器HH, FHN和其他神经元模型。两个缺点的DBS一直强调43]。首先,尽管神经元抑制飙升,相对较高的振幅(10 - 20%)工件高频振荡。其次,固定的膜电压基本上从自然价值因为整流效应的细胞(43]。这可能是一个副作用的原因。
一些更复杂的方法来避免同步交互的振荡器一般,更具体地说可能应用程序描述了神经元阵列在文学,例如[33,37,44- - - - - -54]。
具体地说,在47)抑制同步耦合振子的一个被动的振荡器。控制器是一个四端三阶设备单独记录和现场应用电极。反馈回路包含一个二阶阻尼振子,一个积分器,一个加法器,两个放大器。我们的控制器是简单得多。这是一个双端一阶设备相同的电极电压传感和当前应用程序。控制器包含一个电容器和一个负阻抗变换器(NIC)基于一个运算放大器。网卡并不是必须的,如果缓冲阻力很小。
此外,最近发现振荡现象淬火系统的耦合非线性振荡器值得一提的是(55- - - - - -58]。它可以通过两种不同的机制,体现所谓的振荡振幅死亡和死亡。效果,尤其是振荡死亡,可以透视振动抑制的神经疾病,如帕金森病和特发性震颤。这种类型的振荡淬火取决于单个振子的固有参数,但更在路上和耦合的强度。振荡器的参数和参数的耦合可以很容易地控制人为的物理、化学、电子等系统。然而,这些参数难以调整的自然,例如,生物系统。因此,采用外部反馈循环的技术似乎是有利的解决方案。
7所示。结论
耦合神经元振荡器类型的数组,特别是FitzHugh-Nagumo细胞,可以稳定通过一个电容器基于RC滤波器反馈技术。反馈信号变得很小很小,当UFP稳定,同样的反馈抑制同步中描述(47]。这可以成为一个优势nonfeedback技术,例如,DBS雇佣外部高频周期强迫。
我们未来的工作将集中在调查一个数组的弱耦合FHN振荡器(<我>k我><),当UFP的稳定是不可能的。我们希望一个电容器基于RC滤波器可以使失调振荡器阵列,有些同样排斥耦合(33,34)和平均场放弃(34,35)技术。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢博士尼古拉Rulkov为关键的讨论结果,特别是对的建议强调控制的单个元素的影响和吸引他们的注意力,没有理由的数组,由(5),前同步振荡控制项。作者也感谢教授Michael Rosenblum吸引他们的注意力,在文献[47),以及抑制同步互动的一个单位,一个活跃的振荡器的稳定的被动振荡器,包括在反馈回路中,也是描述。
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