基于Lorenz型系统的新六维超混沌系统的复杂动力学研究

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众所周知,混沌与超混沌系统的研究是非线性科学的重要内容之一.理论上研究混沌系统主要是为了刻画混沌的特征,揭示混沌的本质,从而更好地理解混沌系统的动力学性质.如何把混沌科学发展成为一门应用技术并且应用混沌研究的成果为人类服务已成为21世纪非线性科学发展所面临的巨大挑战.n(n≥3)维混沌(超混沌)系统最多有n-2个正的Lyapunov指数的混沌(超混沌)吸引子.构造一个具有n-2个正Lyapunov指数的n维超混沌系统并研究其相关动力学性质仍然具有相当的难度.本文基于Lorenz型系统,运用反馈控制技术,发现了一类新的具有4个正的Lyapunov指数的六维超混沌系统,并对该系统的局部动力学和全局动力学进行研究.第一章简要介绍了相关的混沌的定义以及混沌和超混沌系统的发展现状,归纳了本文用到的混沌系统的分析方法,包括通往混沌的路径及混沌的定量分析、中心流形理论、Hopf分岔理论及叉形分岔理论等相关研究结果.第二章介绍了构造新六维超混沌系统的过程,讨论了该系统在不同参数条件下平衡点的分布情况,并且在具有一个平衡点、两个平衡点、平衡点直线、平衡点曲面的情况下,系统均具有超混沌吸引子,判断不同情况下平衡点的类型及稳定性.第三章分析该六维超混沌系统的局部动力学性质.利用Routh-Hurwitz准则分析系统双曲平衡点的稳定性.运用中心流形定理分析系统非双曲平衡点的稳定性,进一步发现系统在具有两个零特征根的高阶退化稳定的非双曲平衡点的情况下,具有隐藏超混沌吸引子.利用规范型理论和中心流形定理证明了系统在非双曲平衡点处的叉形分岔的存在性,并分析了此时非双曲平衡点的类型及稳定性.应用高维分岔理论,证明该六维系统Hopf分岔的存在性,给出Hopf分岔周期解的近似表达式,并进行了数值验证.第四章结合Lyapunov指数、Lyapunov指数谱、Poincar(?)映射、相图及分岔图,分析该六维超混沌系统的全局动力学性质.数值模拟发现该系统具有奇异退化异宿环,在小扰动下,奇异退化异宿环破裂产生超混沌吸引子,利用分岔图和相图刻画了系统从奇异退化异宿环、拟周期、周期、拟周期、混沌到超混沌的演化过程.除此之外,系统还存在倍周期分岔产生超混沌吸引子、逆倍周期分岔产生周期轨的现象,结合Lyapunov指数谱、相图及分岔图等计算机仿真技术,刻画了系统从周期、拟周期、混沌到超混沌及从超混沌退化到周期的动力学变化过程.进一步发现系统存在超混沌吸引子与周期吸引子、混沌吸引子与周期吸引子、拟周期吸引子与周期吸引子共存的复杂动力学现象;特别是系统在具有平衡点曲面的情况下,存在超混沌吸引子与混沌吸引子共存.
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