徐 濤，趙小山，盧 雅

（天津職業(yè)技術師范大學理學院，天津 300222）

在過去的幾十年中，越來越多的數(shù)學和物理領域的研究者們對分數(shù)階微積分產(chǎn)生了濃厚的興趣[1]。一方面，分數(shù)階微積分可以將微分和積分推廣到任意階數(shù)并且分數(shù)階微積分可以更加準確地模擬出許多動力系統(tǒng)的動力學現(xiàn)象，如機械系統(tǒng)[2]、流體力學系統(tǒng)和生物工程[3]等。另一方面，運用分數(shù)階微積分的定義可以更加方便地設計魯棒控制器，因此分數(shù)階微積分常用于混沌控制領域[4]。

隨著進一步的研究，將分數(shù)階微積分運用在混沌控制中已經(jīng)成為數(shù)學和物理領域里面的一個熱點研究課題。許多的控制方法相繼提出，如自適應控制、追蹤控制[5]、脈沖控制[6]和模糊滑模控制[7]等，然而這些控制方法不能確定當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時的時間，所以在20世紀60年代初期Dorato 為了能夠控制系統(tǒng)在有限時間內(nèi)達到穩(wěn)定，提出了整數(shù)階有限時間穩(wěn)定性，并于2003年Hu 等[8]通過對分數(shù)階混沌系統(tǒng)研究，成功實現(xiàn)分數(shù)階Lorenz 混沌系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定，進而提出了分數(shù)階有限時間控制方法。但前者所使用的模型為經(jīng)典的分數(shù)階混沌模型，對其他較為復雜的分數(shù)階超混沌模型的研究較少。本文通過運用分數(shù)階有限時間控制方法，針對一個新的分數(shù)階超混沌模型進行有限時間控制研究，利用數(shù)值仿真描述了該系統(tǒng)的動力學現(xiàn)象，并通過定理設計出該系統(tǒng)的控制器，最終通過數(shù)值模擬實驗驗證了其有效性。

1 分數(shù)階系統(tǒng)模型

1.1 分數(shù)階微分概述及定義

在現(xiàn)今分數(shù)階微積分研究過程中，微分和積分主要分為 3 種定義，分別為 Riemann-Liouville（R-L）定義[9]、Grunwald-Letnikov（G-L）定義[10]以及 Caputo 定義[11]。在階數(shù)為負實數(shù)和正整數(shù)時，3 種分數(shù)階微積分的定義相同，但在其他情況下，R-L 定義與Caputo 定義相較于G-L 定義適用面更大，所以R-L 定義與Caputo 定義較為常用，其中R-L 定義更多地用于純數(shù)學領域的研究，Caputo 定義更適用于工程領域的研究，本文采用的是Caputo 定義。

定義1Caputo 分數(shù)階微分定義[12]。

式中：C 為 Caputo 微分；α 為階數(shù)；n 為整數(shù)，且滿足n-1 ＜ α ＜ n；a 和 t 分別為運算的上、下線；Γ（·）為Gamma函數(shù)。

定義 2Gamma 函數(shù)定義[13]。

引理 1[14]假設 x（t）∈Rn是連續(xù)的可微函數(shù)，P∈Rn×n是一個正定矩陣，那么對于 α∈（0，1），滿足不等式

特別地，當 x（t）∈R 是一個連續(xù)可微函數(shù)時，可以得到

引理 2[15]假設 xi=x1，x2，…，xn為實數(shù)，且 0 ＜ q≤2，則下列不等式成立。

引理 3[16]假設 V（t，x（t））是一個 Lyapunov 函數(shù)，m、n 為任意正數(shù)，且存在一個類α 函數(shù)αi（i=1，2，3）滿足下列不等式，則說明該系統(tǒng)滿足全局Mittag-Leffler 穩(wěn)定。

1.2 分數(shù)階超混沌系統(tǒng)模型

式中：xi為狀態(tài)變量，i= 1，2，3，4；βi為系統(tǒng)參數(shù)，i=1，2，3，4；ui為該系統(tǒng)的控制器，i=1，2，3，4。

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分數(shù)階超混沌系統(tǒng)的相軌跡如圖1 所示，時間歷程如圖2 所示。

圖1 分數(shù)階超混沌系統(tǒng)的相軌跡

圖2 時間歷程

2 有限時間控制

2.1 有限時間控制穩(wěn)定性定理

在數(shù)學與物理領域?qū)Ψ謹?shù)階混沌系統(tǒng)的控制研究已成為當下最熱門的研究之一，成功吸引了人們的關注，其中在多種控制方法里面，有限時間控制的強魯棒性，收斂速度快，在有限時間內(nèi)穩(wěn)定等特點被人們所接受。本文正是通過運用有限時間控制[17]的方法對該分數(shù)階超混沌系統(tǒng)進行控制研究。

定理1一個任意的分數(shù)階混沌系統(tǒng)滿足全局Mittag-Leffler 穩(wěn)定[18]即滿足引理 3 且滿足 DαV（t，x）≤則說這個分數(shù)階混沌系統(tǒng)是有限時間內(nèi)穩(wěn)定的，安定時間T 為

2.2 有限時間穩(wěn)定性的證明

通過定理 1 得到該系統(tǒng)控制器 ui=u1，u2，u3，u4為

存在一個Lyapunov 函數(shù)[19]

根據(jù)引理 1 和式（2）可得

式中 ki恒大于 0，i=1，2，3，4，故 DαV（x，t）＜ 0，且當 DαV（x，t）＜0，必定存在一個 α3函數(shù)使得 DαV（x，t）≤-α3‖x‖2，則該系統(tǒng)滿足全局 Mittag-Leffler 穩(wěn)定。

根據(jù)引理 2 和式（5）可得

根據(jù)定理1 中Dαv1是有限時間穩(wěn)定的，因為DαV（x，t）是全局 Mittag-Leffler 穩(wěn)定且 Dαv1中所有初值包含在 DαV（x，t）里，所以 DαV（x，t）是有限時間穩(wěn)定的。

3 數(shù)值仿真

采用Matlab 進行數(shù)值仿真，步長Δt=0.005，仿真時間T=2 s，階次α=0.98，相關參數(shù)取值為β1=0.87，β2=0.5，β3=0.37，β4=2.5，β5=0.5。

該系統(tǒng)的初值為x1（0）=2，x2（0）=1，x3（0）=-1，x4（0）=-2。根據(jù)定理可得T≤1.83 s，控制效果圖如圖3 所示。

由圖3 知，該分數(shù)階超混沌系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間約為1.5 s。在所計算出的穩(wěn)定時間T 之內(nèi)，證明了該控制器的有效性，且從圖像的走勢可以看出其收斂速度之快，同時證明了有限時間控制方法的強收斂性。

圖3 控制效果圖

4 結(jié) 語

本文研究了一類分數(shù)階超混沌系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定性定理，并通過該定理設計出了符合該系統(tǒng)的控制器，最終對參數(shù)以及變量賦值，實現(xiàn)了分數(shù)階超混沌系統(tǒng)達到解的穩(wěn)定并計算出了達到穩(wěn)定的有限時間數(shù)值，通過數(shù)值仿真驗證了結(jié)論的可行性及該控制方法的強收斂性、魯棒性。該控制方法可進一步改進，針對不同的分數(shù)階微積分定義設計不同的控制器，并在噪聲或時滯干擾下，其控制效果的變化也需進一步研究。