Rossler系統(tǒng)的混沌控制

馬莉

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系,甘肅 蘭州 730060)

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Rossler系統(tǒng)的混沌控制

馬莉

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系,甘肅 蘭州 730060)

根據(jù)Rossler系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，數(shù)值仿真了系統(tǒng)隨自身參數(shù)變化的全局分岔圖，分析了參數(shù)變化引起系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的變化。針對(duì)系統(tǒng)混沌狀態(tài)，分別用自適應(yīng)控制法和 控制法兩種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，仿真結(jié)果顯示：兩種控制法均能將系統(tǒng)控制在穩(wěn)定的周期軌道。對(duì)比了兩種控制法對(duì)系統(tǒng)控制的結(jié)果，在自適應(yīng)控制中，隨著控制參數(shù) 逐步減小，系統(tǒng)由單周期運(yùn)動(dòng)經(jīng)倍化分岔為雙周期運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)倍化分岔序列最終通向混沌，動(dòng)力學(xué)行為規(guī)則，對(duì)應(yīng)控制參數(shù)選擇區(qū)域連續(xù)；在 控制中，系統(tǒng)由混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿芷谶\(yùn)動(dòng)，隨著控制參數(shù)逐步增大，周期運(yùn)動(dòng)發(fā)生倍化分岔，再經(jīng)倍化分岔序列通向混沌，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為豐富，對(duì)應(yīng)控制參數(shù)選擇區(qū)域范圍明確。為Rossler系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為研究和混沌控制提供了理論支持，為Rossler系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用及控制提供了參數(shù)選擇區(qū)域，為其它系統(tǒng)的混沌控制及動(dòng)力學(xué)行為研究提供了經(jīng)驗(yàn)和方法。

Rossler系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)行為；周期運(yùn)動(dòng)；分岔；混沌；混沌控制

0 引 言

1 Rossler系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

Rossler系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

這是三變量非線性微分方程組，a，b,c為參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)混沌狀態(tài)

圖1 系統(tǒng)隨參數(shù)變化的全局分岔圖

圖2 x-y混沌吸引子

圖3 y-z混沌吸引子

選取系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)a=0.2，b=0.2，c=4.6時(shí)，系統(tǒng)有兩個(gè)平衡點(diǎn)S1=(0.003, -0.02, 0.02)，S2=(10.00, -66.65, 66.65)，其中S1是不穩(wěn)定的焦點(diǎn)，S2是不穩(wěn)定的中心點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)。對(duì)系統(tǒng)用變步長(zhǎng)Runge-Kutta法進(jìn)行數(shù)值仿真，取平衡點(diǎn)(0, 0, 0)，選取系統(tǒng)的初始值(0.003, 0.02, 0.02)，可得系統(tǒng)隨自身參數(shù)變化的全局分岔圖，如圖1所示。在圖1中，隨著系統(tǒng)參數(shù)a的增大，系統(tǒng)發(fā)生倍化分岔，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)a不斷增大時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生倍化分岔序列，最終通向混沌狀態(tài)。圖2、圖3給出了系統(tǒng)處在混沌狀態(tài)的相圖。

2 混沌控制

2.1 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制算法旨在設(shè)計(jì)一狀態(tài)反饋控制器u，使得所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。顯然，簡(jiǎn)單的狀態(tài)反饋控制器應(yīng)該是控制器u僅僅是狀態(tài)X的線性函數(shù)，即u=-kX，其中k為反饋增益。另外，如果控制器u僅僅是狀態(tài)X中某一變量的函數(shù)，即u可表述為u=-kx1，或u=-kx2，或u=-kx3的形式，則控制器的結(jié)構(gòu)會(huì)更加簡(jiǎn)單。為不失一般性，本文只對(duì)狀態(tài)X中的變量y施加控制作用，且控制器的結(jié)構(gòu)為u=-ky。首先構(gòu)造如下的Lyapunov函數(shù)：

V=(x2+y2+z2)

(2)

對(duì)V求導(dǎo)，則:

(3)

若k>c，則P(k)正定，故:

(4)

其中λmin(P(k))為矩陣P(k)的最小特征值。又因?yàn)閂=‖x‖2，則:

V≤-λmin(P(k))V

(5)

所以:

V(t)≤V(0)exp(-λmin(P(t)))

(6)

其中V(0)為L(zhǎng)yapunov函數(shù)的初始值。因V(0)是有界的，所以當(dāng)反饋增益k>c時(shí)，狀態(tài)X指數(shù)趨于穩(wěn)定。選擇變量y施加控制作用，且控制器的結(jié)構(gòu)為u=-ky。于是受控的Rossler混沌系統(tǒng)可寫為：

(7)

圖4 系統(tǒng)關(guān)于控制參數(shù)k的全局分岔圖

通過(guò)數(shù)值仿真，得到系統(tǒng)在受控后隨控制參數(shù)k變化的全局分岔圖如圖4所示。在圖4中，隨著控制參數(shù)k的減小，系統(tǒng)由單周期運(yùn)動(dòng)經(jīng)倍化分岔為雙周期運(yùn)動(dòng)，隨著控制參數(shù)k的進(jìn)一步減小，系統(tǒng)再次發(fā)生倍化分岔，最終由倍化分岔序列通向混沌。當(dāng)控制參數(shù)k=0.08，系統(tǒng)處于單周期運(yùn)動(dòng)軌道，圖5、圖6為系統(tǒng)處在單周期狀態(tài)時(shí)的相圖，圖7為系統(tǒng)在單周期時(shí)的時(shí)間歷程圖；減小控制參數(shù)，當(dāng)k=0.04時(shí)，系統(tǒng)處于周期二運(yùn)動(dòng)軌道，圖8、圖9為系統(tǒng)處在周期二運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的相圖，圖10為系統(tǒng)在周期二時(shí)的時(shí)間歷程圖；進(jìn)一步減小控制參數(shù)，當(dāng)k=0.025時(shí)，系統(tǒng)處于周期四運(yùn)動(dòng)軌道，圖11、圖12為系統(tǒng)在周期四運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的相圖，圖13為系統(tǒng)在周期四時(shí)的時(shí)間歷程圖。由此可見(jiàn)，自適應(yīng)控制算法能將系統(tǒng)控制在單周期、多周期運(yùn)動(dòng)軌道上。

圖5 單周期x-y相圖 圖6 單周期y-z相圖 圖7 單周期時(shí)間歷程圖

圖8 周期二x-y相圖 圖9 周期二y-z相圖 圖10 周期二軌道時(shí)間歷程圖

圖11 周期四x-y相圖 圖12 周期四y-z相圖 圖13 周期四軌道時(shí)間歷程圖

考慮如下定義的n維非線性混沌系統(tǒng)

y=cx

(8)

其中F為非線性光滑向量函數(shù),X為系統(tǒng)的狀態(tài)X=[x1,x2, …,xn]T,y為系統(tǒng)的輸出,c為1×n的常數(shù)矩陣。設(shè)系統(tǒng)的非線性反饋控制器為:

(9)

其中K為反饋增益矩陣。將該非線性反饋控制器負(fù)反饋加到混沌動(dòng)力系統(tǒng)中，則受控系統(tǒng)為

(10)

這樣形成的非線性控制器簡(jiǎn)單且只需要稍微改變參數(shù)，相對(duì)小的反饋增益，就能夠?qū)⒒煦邕\(yùn)動(dòng)控制到各種規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。

在式(1)中加入負(fù)反饋?zhàn)兞浚涂梢缘玫绞芸氐姆匠倘缦拢?/p>

(11)

圖14 全局分岔圖 圖15 周期三x-y相圖 圖16 周期三軌道時(shí)間歷程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

[1] 馬明,鄭永愛(ài),胡馮儀,等．Rossler系統(tǒng)的最小時(shí)間同步[J]．動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào), 2008,6(3):249-253.

[2] 吳先用,萬(wàn)鈞力.Rossler系統(tǒng)與統(tǒng)一混沌系統(tǒng)的異結(jié)構(gòu)同步[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008，30(4):715-718.

[3] 李佳．Rossler混沌系統(tǒng)間的非線性耦合同步[J]．哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 29(5)：22-24.

[4] 鄧玥,王光義,袁方.一種新的Rossler 混沌序列圖像加密算法[J]．杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011, 31(5)：9-12.

[5] 陳彭年，秦化淑．ROSSLER系統(tǒng)平衡點(diǎn)集的鎮(zhèn)定[J]．系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),2010,30(6):869-876.

[6] FABIO SCALCO DIAS,LUIS FERNANDO MELLO,JIANGANG ZHANG.Nonlinear analysis in a Lorenz-like system[J]. Nonlinear Analysis: Real World Applications,2010,(11):3491-3500.

[7] 尤曉玲. Chen 式系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為研究及混沌抑制[J]．電氣自動(dòng)化, 2014, 36(1)：21-23.

Chaos Control of Rossler System

Ma Li

(Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou Gansu 730060，China)

According to the dynamic equation of Rossler system, the global bifurcation diagram of the system that changes with its parameters is simulated while the change of the system dynamic behavior is analyzed. In view of the chaotic state of the system, adaptive control method and control method are used respectively to control the system. The simulation results show that both control methods can control the system in a stable periodic orbit. The results of two control methods are compared. In adaptive control, along with gradually reduced control parameter , the system is initiated from a single periodic motion to double periodic motion through double bifurcation and then leads to chaotic & dynamic behavior rule via the sequence of doubling bifurcation, corresponding to continuous control parameter selection region. In control method, the system is transformed from chaotic state to 3-periodic motion. Along with gradually increased control parameter , the periodic motion generates double bifurcation and then leads to chaos via the sequence of doubling bifurcation with very rich system dynamic behavior corresponding to clear range for control parameter selection. This paper provides theoretical support for further study of the dynamical behavior and the chaos control of the Rossler system, parameter selection region for application and control of Rossler system in the engineering field and the experience and methods for the study of chaos control and dynamic behavior in other systems.

Rossler system; dynamic behavior; periodic motion; bifurcation; chaos; chaos control

蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)研究課題項(xiàng)目(JY2014-26);蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技教研項(xiàng)目(KJ2015-12)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.009

O322

A

1000-3886(2016)04-0027-03

馬莉(1982-)，女，甘肅永昌人，講師，碩士，2008年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，獲碩士學(xué)位，主要從事非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為分析與控制及過(guò)程自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域的科研及教學(xué)工作。

定稿日期: 2016-01-14