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Slow-fast Dynamics of Strongly Coupled Adaptive Frequency Oscillators*

Résumé

Oscillators have two main limitations: their synchronization properties are limited (i.e., they have a finite synchronization region) and they have no memory of past interactions (i.e., they return to their intrinsic frequency whenever the entraining signal disappears). We previously proposed a general mechanism to transform an oscillator into an adaptive frequency oscillator which adapts its parameters to learn the frequency of any input signal. The synchronization region then becomes infinite and the oscillator retains the entrainment frequency when the driving signal disappears. While this mechanism has been successfully used in various applications, such as robot control or observer design for active prosthesis, a formal understanding of its properties is still missing. In this paper, we study the adaptation mechanism in the case of strongly coupled phase oscillators and show that nontrivial slow-fast dynamics is at the origin of the adaptation. We show the existence of a layered structure of stable and unstable invariant slow manifolds and demonstrate how the input signal forces the dynamics to jump between these manifolds at regular intervals, leading to exponential convergence of the frequency adaptation. We extend the idea to a network of oscillators with amplitude adaptation and show that the slow invariant manifolds structure persists. Numerical simulations validate our analysis and extend the discussion to more complex cases.

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Proximité ontologique
Concepts associés (33)
Oscillateur harmonique
Un oscillateur harmonique est un oscillateur idéal dont l'évolution au cours du temps est décrite par une fonction sinusoïdale, dont la fréquence ne dépend que des caractéristiques du système et dont l'amplitude est constante. Ce modèle mathématique décrit l'évolution de n'importe quel système physique au voisinage d'une position d'équilibre stable, ce qui en fait un outil transversal utilisé dans de nombreux domaines : mécanique, électricité et électronique, optique. Il néglige les forces dissipatives (frottement par exemple).
Oscillation
Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique autour d'une position d'équilibre stable. Les oscillations sont soit régulières (périodiques) soit décroissantes (amorties). Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine. Une oscillation est une "variation d'une grandeur mécanique, électrique, caractérisée par un changement périodique de sens". Le cycle d'une oscillation est le temps écoulé entre deux passages successifs par la position d'équilibre.
Injection locking
Injection locking and injection pulling are the frequency effects that can occur when a harmonic oscillator is disturbed by a second oscillator operating at a nearby frequency. When the coupling is strong enough and the frequencies near enough, the second oscillator can capture the first oscillator, causing it to have essentially identical frequency as the second. This is injection locking. When the second oscillator merely disturbs the first but does not capture it, the effect is called injection pulling.
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