分数阶Chen混沌系统分析及控制器设计

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分数阶混沌系统是一类复杂的非线性系统。混沌具有对初值的极度敏感性及相轨道的内随机性,它的存在有时会让原系统不能按照预定结果输出,甚至使系统崩溃。但同时混沌所具有的不可预测性、隐蔽性以及复杂的动力学特性也使得其很适用于保密通信等研究领域,并且更能真实地描述实际系统。所以对分数阶混沌系统的分析与控制的研究具有重要的理论意义和实际研究价值。基于滑模控制,本文研究了分数阶Chen混沌系统的抑制以及同步控制问题,主要研究内容如下:首先,对分数阶Chen混沌系统的动力学特性、实现电路及其Lyapunov指数谱进行了分析和研究。根据分数阶稳定性理论,研究了分数阶Chen系统的阶次α对系统稳定性的影响,通过理论推导得出,如果系统微分阶次α>0.83,分数阶Chen系统此时为混沌的系统。接着通过不同阶次的分数阶Chen系统的数值仿真图像、电路仿真图像以及不同阶次的分数阶Chen系统的Lyapunov指数谱仿真图验证了理论推导的正确性。并且为第四章混沌抑制和第五章混沌同步控制打下了基础。其次,对分数阶Chen混沌系统的抑制进行了研究。首先设计了非线性控制器,分别对有、无干扰下的分数阶Chen混沌系统进行控制,仿真结果表明,所设计的非线性控制器不具有良好的抗干扰能力。然后,基于滑模控制理论,设计分数阶滑模控制器,对已知干扰上限的分数阶Chen混沌系统进行控制。仿真结果表明,所设计的分数阶滑模控制器可使受控分数阶Chen混沌系统渐近稳定,混沌现象受到抑制,且对外界干扰具有良好的鲁棒性,但快速性较差。为此,本文对滑模控制器进行改进,设计了自适应滑模控制器,有效地提高了系统相应的快速性。最后,对分数阶Chen混沌系统的同步控制进行了研究。以分数阶Lorenz混沌系统为驱动系统,以分数阶Chen混沌系统作为响应系统,设计了分数阶滑模同步控制器,对未知干扰上限的分数阶Lorenz混沌系统与分数阶Chen混沌系统进行同步控制。仿真结果表明,设计的滑模同步控制器具有鲁棒性,可以使两个系统达到完全同步,但其快速性较差。为此,本文结合自适应控制,对所设计的滑模同步控制器进行改进,进一步提升了误差系统的快速性与稳定性。最后,利用改进的滑模控制器与广义同步结合,实现了四维的分数阶超Lorenz混沌系统与三维的分数阶Chen混沌系统快速广义同步,这也使得利用混沌同步进行保密通信时更具有安全性和快速性。
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