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一个超混沌类Lorenz系统的非线性动力学行为及计算机仿真

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第24卷 第1O期 Vo1.24 No.10 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2016年5月 Mav 2016 一个超混沌类 Lorenz系统的非线性动力 晦将 为及计算机仿真 徐鸿鹏,尹社会,张勇 (河南工业职业技术学院河南南阳473000) 摘要:利用Matlab软件和数学微分方程理论分析给出了一个新五维超混沌类Lorenz系统的非线性动力学特性。通 过定性分析和定量分析相结合的手段探讨了主要包括对称性、耗散性、平衡点的稳定性、空间相图、时序波形图等方 面的非线性动力学行为,并运用Wolf=方法计算出了系统的Lyapunov指数和Lyapunov维数,结合系统的不同运动状 态的分岔图、Poincar6映射图和功率谱图等手段进_步表明该系统具有复杂的动力学特性,为进一步的混沌控制、同 步与加密通信等工程应用提供了理论依据。 关键词:类Lorenz超混沌系统;分岔;耗散性;功率谱 中图分类号:TN911.6;TN918.1 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(20l6)10—0038-04 Nonlinear dynamic behaviOr Of a lorenz.1ike hyperchaotic system and its computer simulation xu Hong—peng,YIN She—hui,ZHANG Yong (Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000,China) Abstract:The nonlinear characteristic properties of a novel five-dimensional Lorenz-like hyper-chaotic system is further investigated by diferential equation theoretical analysis and simulative analysis based on Matlab software.The symmetry of system,dissipation,the stability of the equilibrium points,the phase diagram,time domain waveform,Lyapunov exponents and Lyapunov dimension,bifurcation diagram,Poincar6 mapping diagram and the power spectrum are given by Matlab software.The results showed the novel chaotic system has rich dynamic behavior.The theoretical basis is provided for chaotic control,sychronization and encryption communications engineering and SO on. Key words:Lorenz-like hyper-chaotic system;bifurcation;dissipation;power spectrum 著名的Lorenz系统是研究混沌现象的典型范例ll-21。自从 orLenz在一个简单的三维自治系统中首先发现了蝴蝶混沌 吸引子之后,又有新的混沌吸引子不断被发现,1999年,Chen 系统和Ln系统相继被提出口 ,随后一个统一的混沌系统也 :i=a(y-x)+埘+ y=cx-y一2xz 2=2 2- w=yz-dw  ̄t=xy+,z (1) 被陈关荣和吕金虎提出并研究四。此后,国内外不少学者相继 提出新的混沌或超混沌系统 ,新系统的提出促进了人们对 混沌现象的深入研究和认识,提高了混沌理论在工程上的应 用能力。文献【8】提出了构造新超混沌系统的必要条件并构造 了一类新的五维超混沌类Lorenz系统嗍,但并未进行动力学 其中:( ,Y, ,W,“)∈R 为状态变量,Ⅱ,b’cId为系统实参数。 当a=10,b=8/3,c=28,d=2时,系统相空间的时间平均散度为 VV:粤+荨+d%dv d +z d +粤:w Ou 一 1一b一 <0 (2) 可知系统为一个耗散非线性动力系统,其轨线随着时间 方面的研究,文中通过数值仿真给出了系统的相图、时序波 形图、分岔图、Poincar6映射、功率谱图等,结果验证了该系统 属于超混沌系统及其丰富的动力学行为。 不断演化到一个不变的吸引子集合中,其初值取 (O.1,0:4,0.1,0.1,0.1),系统(1)的吸引子轨线的相图如图1 所示。 1数学模型及其吸引子的存在性 章秀君等构造了一个五维超混沌类Lorenz系统的方程为【: 2 系统的Lyapunov指数和Lyapunov维数 收稿日期:2015—07—13 稿件编号:201507087 由数值计算可得系统的5个Lyapunov指数分别为:Al= 基金项目:河南省科学技术发展计划项目(142300410416) 作者简介:徐鸿鹏(1980一),男,河南南阳人,讲师。研究方向:计算物理和大学物理教学。 -38- 徐鸿鹏,等 一个超混沌类Lorenz系统的非线性动力学行为及计算机仿真 0 2O 图1吸引子相图 1.863 9,A2=0.043 589,A3=-0.733 93,A4=-4.612 6,A5=-12.1l7 6,其中有两个Lyapunov指数大于0,说明系统处于超混沌状 态。进一步通过Kaplan-Yorke猜想可以得到其分形维数为: 2 AI+A2==2+ 0.73393+4.!: 6126+12.1 : 176 =2.1092 (3) 可见系统具有分数维数,进一步验证了系统处于混沌状态。 3系统在超混沌态的时序波形、功率谱和 Poincar ̄映射 对混沌系统的吸引子分析,其空间结构十分复杂,轨线无 穷延伸、压缩和折叠,其轨线在特定的吸引域内具有遍历性。 时域分析如图2所示也表明,序列具有典型的非周期性,且具 有对初值敏感依赖性。各个变量随时间演化的时序波形图如 图2所示。如果初值发生细微的变化,系统的行为会发生明显 的变化,如图3所示为初值取(0.1,0.4,0.1,0.1,0.1)和 (0.1,0.4+0.O0001,0.1,0.1,0.1)的时序图形。吸引子的非周期 性也可以通过系统的连续功率谱表现出来,采用快速Fourier 变换法,对系统的第一个状态变量 的时间序列进行功率谱 分析如图4所示。由于是非周期运动,所以表现出连续功率 谱,又由于存在分又现象,所以有峰值出现。 溅a瓣 ^撼糖糟l鹊 蜘 喊蚋 黼 辫 {目 图2时序波形图 混沌系统的Poinear6截面上是沿几条曲线弧分布着一些 具有分形结构的密集点,如图5所示,图中给出了x—Y平面上 的Poincar6映射,进一步说明了系统处于混沌态。 4系统的平衡点分析 令系统(1)右边等于0,当a=lO,b=8/3,c=28,d=2时,经计 算系统有无穷多个平衡点:S0(0,O,0,0,0),.s (0,c,0,0,-lOc), (4.32,0,14.0,0,43.2),S3(一4.32,0,14.0,0,一43.2),&(一 13-3,25.3,1I33,16.9,一284.0)。 , 图3初值敏感性时序波形图 按 褂 雷 1 器 图4功率谱图 图5 Poincar6映射 在平衡点.s。(0,0,0,O,0)处线性化系统(1)可得其Jacobi 矩阵, 一10.0 0 10.0 1.00 1.00 28.0—1.oo 0 0 0 0 0 —2.67 0 0 (4) 0 0 0 —2.O0 0 0 0 0 0 0 由 =o可得5个特征值为Al一1,A2—10,A3—2.6667, A4-一2,A5=0。其中4个负的实根表示在这4个方向收缩,因此 平衡点50(0,0,0,0,0)为稳定的结点。 在系列平衡点S (0,c,0,0,一10c)处线性化系统(1)可得 其Jacobi矩阵(为分析方便取c=1), 一10.0 0 10.0 1.00 1.O0 28.0—1.00 0 0 0 0 O 一2.67 0 0 (5) 0 Q 0 一1.00—2-0O 1.00 0 1.O0 0 0 ——39- 《电子设计工程)2016年第1O期 由IAI-JI=0可得5个特征值为Al=一1,A2一10.099,A3 在平衡点S (一l3.3,25.3,l-33,16.9,一284.0)处线性化系 0.099,A4=一2,A5—2.6667。其中4个负的实根表示在这2个方 统(1)可得其Jacobi矩阵, 向收缩,1个正的实根表示在这1个方向扩张,因此平衡点S 一10.0 O 10.0 1.0O 1.0o (0,c,0,0,一10c)为不稳定的指标1的鞍点。 25.34—1.oo 2.66 O 0 —5-32 0 —2.67 0 0 (8) 在平衡点.s2(4.32,0,14.0,0,43.2)处线性化系统(1)可得 0 1_33 25.30—2.00 O 25.3O 0 25.30 O 0 其Jacobi矩阵, 由IM-J1-O可得5个特征值为A1—9.1149,A2—2.6059+ -10.0 0 10.O 1.00 1.00 0 —1.0o一8.64 0 0 4.5315i,A3=-2.6059—4,5315i,A4=一0.67+0.3003i,As=一0.67— l7.28 0 —2.67 0 0 (6) 0 14.O 0 —2.0o 0 0.3003i。其中1个负的实根表示在这1个方向收缩,2对共轭 0 18.32 0 0 0 复根的实部为负说明平衡点S(一13.3,25.3,1.33,16.9,_284.0) 由IAI-JI=O可得5个特征值为Al=一19.4534,A2=5.5193+ 为稳定焦点。 3.1942i,A3=5.5193-3.1942i,A4=-6.1224,A5=一1.1295。其中3 通过以上分析,在参数a=10,b=8/3,c=28,d=2下,系统产 个负的实根表示在这3个方向收缩,一对共轭复根的实部为正 生混沌现象。 说明平衡点 (4.32,0,14.0,0,43.2)为指标2的不稳定鞍点。 在平衡点S3(一4.32,0,14.0,0,一43.2)处线性化系统(1)可 5系统参数的影响 得其Jacobi矩阵, 非线性动力系统的动力学行为主要由系统参数决定,随 一10.0 0 10.0 1.00 1.0o 着系统参数的变化,系统表现出极限环(周期轨或拟周期轨) O —1.0o 8.64 0 0 17.28 0 -2.67 O 0 (7) 和奇怪吸引子等不同的非线性行为,即出现Hopf分叉和混沌 0 14.0 0 —2.00 0 现象。分岔图显示,当固定其余参数只有一个参数发生变化 0 9.68 O O O 由lA 可得5个特征值为At一6.9549+12.1504i,A2— 时,系统表现出不同的动力学行为,为叙述方便,这里只列出 6.9549—12.1504i,A3=一0.4746+4.2467i,A4=一0.4746—4.2467i, 改变参数的区间范围。在口E【10,16],b∈【2.4,4.5】,c∈ [8,28.5】,d∈[0,2o],区间内变化,系统表现出混沌或超混沌行 A 一0.8o76。其中1个负的实根表示在这1个方向收缩,2对 为,如图6所示。下面通过吸引子相图可以进一步验证分岔图 共轭复根的实部为负说明平衡点S。(一4.32,0,14.0,0,-43.2) 中的结论,如图7所示。 为稳定焦点。 t---- il'MiI iIiI l l|tll'!ll ::; , li瘪Cit ! jill iIi ' ̄1…缸.-.… 0 1 2 1 4 16 1 8 (a) —n (b)舻.6 5 l 0 1 5 20 C d (c) .Ic (d) —d 图6参数对变量x的分岔图 6结 论 本动力学行为进行了深入的研究,包括功率谱、Poincare截 面、分岔图等。分析表明该系统具有丰富的动力学行为,系统 文中研究了一种五维超混沌类Lorenz系统,对系统的基 在参数变化时的动力学行为的演变呈现出周期、复杂周期(拟 -40- 徐鸿鹏,等一个超混沌类Lorenz系统的非线性动力学行为及计算机仿真 图7周期轨或拟周期轨相图 周期)、混沌以及超混沌运动,这些结论为系统的电子振荡电 【J].International Journal of Bifurcation and Chaos,2002,12 (3):659-661. 路的实现和通信工程设计等应用提供了理论依据。 参考文献: [5】Jin-hu La,Guan-rng Chen,aDai-zhan CHENG,etc.Bridge he gap bettween the Lorenz system and the Chen system[J]. International Journal of Bifurcation and Chaos,2002,12 【l】Lorenz E.N.Deterministic non-periods flows[J].Journal of Atmosphere Science,1963,20(2):130—141. [2】尹社会,张勇,张付臣,等.基于Lorenz系统的强迫 renz混 沌系统的动力学研究阴.东北师大学报:自然科学版, 2014,46(1):42—47. (12):2917—2926. [6]尹社会,张勇,皮小力.自治混沌系统的动力学行为及计 算机仿真[J].广西物理,2015,36(1):32-37. 【3】Guan-rong CHEN,Tetsushi UETA.Yet another chaotic attractor[J].International Journal of Bifurcation and Chaos, 1999,9(7):1465-1466. [7】高智中.一个新超混沌系统及其线性反馈同步[J].中山大 学学报:自然科学版,2012,51(6):30—34. 【8】章秀君,吴志强,方正.超混沌系统的构造方法研究[J].计 算机工程与应用,2014,50(2):92—98,151. [4】Jin-hu LU,Guan-rong Chen.A new chaotic attractor coined (上接第34页) 束形成算法[J].计算机仿真,2O10(3):318—321_ [6】金伟,贾维敏,姚敏立.迭代对角加载采样矩阵求逆鲁棒自适 应波束形成[J].电子与信息学报,2012,34(5):1120-1125. 【7】刘聪锋,杨洁,甘昶.加栽与约束结合的主瓣干扰抑制方向图 puting Information&Control,2012,8(3B):2137—2148. [11】倪淑燕,程乃平,倪正中.改进的广义特征空间波束形成算法 【J】.遥测遥控,2010(2):6. [12]贺顺,杨志伟,廖桂生.迭代子空间跟踪和结构约束的自适应 波束形成算法[J].信号处理,2012,28(2):226-231. [131闫冰冰,代月花,陈军宁,等.一种简化特征空间稳健自适应 保形[J].电波科学学报,2012,27(2):344-349. [8]赵永波,张守宏.基于特征空间的线性约束最小方差波束形 成器[J].电子与信息学报,2005,27(3):423--426. [9】He Z Q,Shi Z P,Huang L,et 1.Underadetermined DOA Es- timation for Wideband Signals Using Robust Sparse Covari- 波束形成算法[J].计算机应用研究,2011,28(11):4057-4059. 【14]Huang F,Sheng W,Ma X.Modiifed projection approach for robust adaptive array beamforming【J].Signal Processing,2012, 92(7):1758-1763. 【15]Lie J P,Ser W,See C M S.Adaptive uncertainty based iter- ative robust Capon beamformer using steering vector mis— ance Fitting[J1.IEEE Sinalg Processing Letters,2015,22(4): 435—439. [10]Liu W,Ding S,Jin M,et a1.A ROBUST DOA/BEAM- FORMING ALG0RITHM USING THE C0NSTANT MODU. match estimation[J].IEEE Transactions on Signal Processing, 201 1,59(9):483-4488. LUS FEATURE【J】.International Journal ofInnovative Corn. (上接第37页) 业出版社,2014. 2014. 【13]Tan P N.Introduction to data mining[M].Pearson Education 【16]李应安.基于MapReduce的聚类算法的并行化研究[D].广 India,2007. [14]Wikipedia.k—means-clustering[EB/OL].[2015一l2—08]http:// 州:中山大学,2010. [171范东来.Hadoop海量数据处理:技术详解与项目实战【M】.北 en.wikipedia.org/wiki/k—means-clustering. 【15]樊哲.Mahout算法解析与案例实战【M].北京:械工业出版社, 京:人民邮电出版社,2015(3):29O一296. -41- 

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