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[学位]

分数阶非线性系统的动力学分析及同步研究

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Author:

刘晓君 (刘晓君.)

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Abstract:

分数阶微积分是将整数阶微积分的阶数推广到实数领域的一种非常重要的数学工具。分数阶非线性系统是利用分数阶常微分方程描述的系统,和整数阶非线性系统相比,其可以更加准确的描述实际系统的固有性质,准确的表现系统的实际物理特性。因此在建立非线性动力系统的数学模型方面,分数阶非线性系统具有不可替代的优势。目前,对于分数阶非线性系统的动力学和同步等方面的研究还较少,因此对这些问题的研究对于分数阶非线性系统的实际应用具有重要意义。
本文主要对分数阶非线性系统的动力学及同步问题进行了研究。提出了两个确定性分数阶系统,研究了系统的基本性质和单初值状态下的动力学行为。当系统处于混沌态时,通过自适应同步方法分别实现了这两个系统的混沌同步。针对目前缺乏有效的分析分数阶非线性系统全局动力学的数值算法的问题,为确定性的分数阶系统提出了一种全局动力学数值计算方法,即拓展的广义胞映射方法。用该方法研究这类系统的全局动力学,分岔以及激变等现象。构造了两个特殊的分数阶系统,即一个含有随机参数的分数阶系统和一个带有延迟项的分数阶系统,并对其动力学和同步问题进行了研究。论文的主要工作如下:
首先,提出了一个具有五次方非线性项的Genesio-Tesi系统,详细的研究了该系统的基本性质,包括系统平衡点的稳定性,数值解的形式,以及系统存在混沌的最小阶数等。通过计算系统在阶数相等和不相等的两种情况下产生混沌的不稳定距,以此得到系统产生混沌的最小阶数。研究了系统在两种情况下随不同阶数变化的分岔问题,并发现系统发生了激变现象。基于分数阶系统的稳定性理论,在系统参数均为未知参数时,为系统设计了同步控制器和未知参数辨识规则,实现了该分数阶系统的混沌同步。数值仿真验证了控制器的有效性。
其次,构造了一个具有复状态变量的分数阶T系统,首先利用广义的预估-校正算法,得到了系统的数值解的形式。研究了系统的对称性,平衡点的稳定性,随阶数和参数变化发生的切分岔和周期倍分岔等现象。基于分数阶系统的稳定性理论,为该分数阶复T系统提出了一种函数投影同步方案,实现了系统的函数投影同步,并通过数值模拟说明了该同步方案对系统是有效的。最后利用反馈控制,将系统的混沌控制到了目标平衡点。
随后,为分数阶非线性系统的全局动力学分析提出了拓展的广义胞映射方法。首先因为分数阶导数算子为非局部算子,这导致了分数阶系统的演化不能用Markov链来描述。故此,基于短记忆原理,结合广义的预估-校正算法和胞映射方法,提出了拓展的广义胞映射方法。该方法根据胞空间的特点,以胞尺寸的一半作为截断误差的界,并以此给出了一步映射时间的估算公式。以分数阶Logistic模型,自治的分数阶Duffing系统,分数阶Van der Pol系统以及非自治的分数阶Duffing系统为例,利用拓展的广义胞映射方法得到了这些系统的全局动力学行为。所得到的结果不仅验证了参考文献中的结果,还进一步的得到了参考域中吸引子的吸引域,边界以及鞍点等全局动力学特性。这些结果说明了该方法对于分析分数阶系统全局动力学是准确而有效的。
然后,利用拓展的广义胞映射方法研究了非自治分数阶Duffing系统的激变现象,发现系统随阶数和参数变化发生了激变现象。激变是指混沌集的突然不连续变化,其中混沌集包括混沌吸引子,分形边界上的混沌集,以及吸引域内部与吸引子不相交的混沌集。边界激变是由分形边界上的一个混沌鞍与一个周期吸引子碰撞所引起,或者由光滑边界上的周期鞍与混沌吸引子碰撞所引起。边界激变的结果是在阶数或者参数通过临界值时,吸引子连同其吸引域一同消失,同时在吸引域内出现一个新的混沌鞍,它包括了原来的吸引子和鞍。内部激变是因为吸引域内部一个不稳定的混沌集和一个周期吸引子发生了碰撞,这导致了一个新的混沌吸引子的出现,同时原来的吸引子和不稳定的混沌集成为了该混沌吸引子的一部分。因此,激变可以拓展定义为混沌集和周期集的突然碰撞。这些结果进一步说明了拓展的广义胞映射方法是研究分数阶系统复杂的全局动力学行为的有效工具,同时这也是从全局的角度第一次呈现分数阶非线性系统中的激变现象。
随后,研究了一个具有随机参数的分数阶复Lorenz系统的动力学和同步。首先,利用拉盖尔正交多项式展开法,得到含有随机参数的分数阶复Lorenz系统的近似等价确定系统。研究了该系统的动力学特性,得到了该随机系统的两种重要的响应,即集合平均响应和均值参数系统的样本响应。并通过数值模拟,发现该系统的集合平均响应具有一定结构的无限瞬态过程。通过设计合适的同步控制器,实现了该随机系统在均方意义下的自适应同步。
最后,提出了一个具有延迟项的分数阶系统,利用延迟分数微分方程数值解的预估-校正方法求解该系统。在此基础上,对该系统随延迟项变化的动力学行为进行了研究,发现系统随延迟项的变化出现了不同的周期态和混沌吸引子。同时为该系统设计了合适的同步方案,实现了系统的混沌同步。
本文的研究方法及结果为分数阶非线性系统的理论分析提供了参考,对于这类系统在实际问题中的应用提供了新思路。

Keyword:

分岔 分数阶非线性系统 混沌 全局动力学 同步

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  • [ 1 ] 西安交通大学航天航空学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Year: 2016

Language: Chinese

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