可產(chǎn)生多翼吸引子的混沌系統(tǒng)及其電路實(shí)現(xiàn)

胡春華， 王忠林， 王春梅， 孫平

(1. 濱州學(xué)院 電氣工程系， 山東 濱州 256603；2. 山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250014；3. 濱州學(xué)院 航空工程學(xué)院， 山東 濱州 256603；4. 濱州學(xué)院 信息工程學(xué)院， 山東 濱州 256603)

可產(chǎn)生多翼吸引子的混沌系統(tǒng)及其電路實(shí)現(xiàn)

胡春華1，2， 王忠林3， 王春梅4， 孫平2

(1. 濱州學(xué)院 電氣工程系， 山東 濱州 256603；2. 山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250014；3. 濱州學(xué)院 航空工程學(xué)院， 山東 濱州 256603；4. 濱州學(xué)院 信息工程學(xué)院， 山東 濱州 256603)

構(gòu)造一個(gè)只有一個(gè)零平衡點(diǎn)的新混沌系統(tǒng)，與廣義Lorenz系統(tǒng)族相比，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生單、雙、三及四翼的混沌吸引子.研究表明：當(dāng)參數(shù)d=2時(shí)，其平衡點(diǎn)為鞍結(jié)點(diǎn)；當(dāng)參數(shù)d=5時(shí)，其平衡點(diǎn)為鞍焦點(diǎn)，且系統(tǒng)的散度隨著參數(shù)d的變化而改變，不是一個(gè)固定值.在Multism 12仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的電子電路，仿真結(jié)果與數(shù)值仿真、動(dòng)力學(xué)特性分析結(jié)論一致，進(jìn)一步驗(yàn)證該混沌系統(tǒng)的混沌特性.

混沌系統(tǒng)； 多翼吸引子； 電子電路； Lyapunov指數(shù)； Multism 12平臺(tái)

自1963年Lorenz發(fā)現(xiàn)第一個(gè)混沌吸引子[1]以來，作為非線性科學(xué)的一個(gè)重要分支——混沌理論引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，有目的地產(chǎn)生新型混沌系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn).利用混沌反控制方法，Chen等[2]構(gòu)造了Chen系統(tǒng)，Lü等構(gòu)造了Lü系統(tǒng)[3]，其他研究者也構(gòu)造了新型混沌系統(tǒng)，如Liu系統(tǒng)[4]等.這類系統(tǒng)稱為廣義的Lorenz混沌系統(tǒng)族[5-8].在廣義Lorenz混沌系統(tǒng)族的基礎(chǔ)上通過增加飽和函數(shù)或正弦函數(shù)等方法，可以構(gòu)造多翼混沌系統(tǒng).但采用這種方法構(gòu)造的多翼混沌系統(tǒng),一方面，要增加系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，另一方面，系統(tǒng)具有某種對(duì)稱性，即出現(xiàn)四翼、八翼等，比較難出現(xiàn)如三翼、六翼等[9-14].本文構(gòu)造了一個(gè)新的混沌系統(tǒng)，與廣義Lorenz系統(tǒng)族相比，它可以產(chǎn)生單翼、雙翼、三翼及四翼混沌吸引子，具有更加豐富的動(dòng)力學(xué)特性.

1 混沌系統(tǒng)模型

文中提出的混沌系統(tǒng)模型為

式(1)中:x，y，z為狀態(tài)變量；d為系統(tǒng)參數(shù).

當(dāng)d等于2.0，3.0，3.6，5.0時(shí)，系統(tǒng)(1)產(chǎn)生單翼、雙翼、三翼和四翼的吸引子，相圖如圖1所示.

(a) x-y平面(d=2.0) (b) x-z平面(d=2.0)

(c) y-z平面(d=2.0) (d) x-y平面(d=3.0)

(e) x-z平面(d=3.0) (f) y-z平面(d=3.0)

(g) x-y平面(d=3.6) (h) x-z平面(d=3.6)

(i) y-z平面(d=3.6) (j) x-y平面(d=5.0)

(k) x-z平面(d=5.0) (l) y-z平面(d=5.0)圖1 混沌系統(tǒng)(1)的混沌吸引子在相平面上的投影Fig.1 Phase portraits of chaotic attractors of chaotic system (1)

2 混沌系統(tǒng)的特性分析

2.1 對(duì)稱性

系統(tǒng)(1)關(guān)于y=-x對(duì)稱，即做變換(x，y，z)→(-x，-y，-z)后，系統(tǒng)保持不變，這與一般混沌系統(tǒng)關(guān)于Z軸對(duì)稱不同.

2.2 耗散性

因?yàn)橛?/p>

因此，系統(tǒng)(1)的散度不一定總小于0，故直接決定系統(tǒng)(1)的散度是比較困難的.這與一般具有散度小于零的混沌系統(tǒng)有著顯著的不同.

2.3 平衡點(diǎn)及穩(wěn)定性

由此可解得系統(tǒng)(1)只有一個(gè)平衡點(diǎn)S(0，0，0).

在平衡點(diǎn)S(0，0，0)，線性化系統(tǒng)(2)得其Jacobian矩陣為

令det(J-λI)=0，可解得Jacobian矩陣的特征方程為

1) 當(dāng)d=2.0時(shí)，解得相應(yīng)的特征根λ1=-1，λ2，3=0.333 3±0.471·i；

2) 當(dāng)d=3.0時(shí)，解得相應(yīng)的特征根λ1，λ2，3=0.5±0.288 7·i，特征根λ1為負(fù)實(shí)根，λ2，3是一對(duì)具有正實(shí)部的共軛復(fù)根，根據(jù)Routh-Hurwitz條件，這時(shí)平衡點(diǎn)S(0，0，0)是不穩(wěn)定鞍焦點(diǎn)；

3) 當(dāng)d=3.6時(shí)，解得相應(yīng)的特征根λ1=-1，λ2=0.763 3，λ3=0.436 7；

4) 當(dāng)d=5.0時(shí)，解得相應(yīng)的特征根λ1=-1，λ2=1.434 3，λ3=0.232 4，特征根不全為正或負(fù)，根據(jù)Routh-Hurwitz條件，這時(shí)平衡點(diǎn)S(0，0，0)是不穩(wěn)定鞍結(jié)點(diǎn).

2.4 Lyapunov指數(shù)和Lyapunov維數(shù)

1) 當(dāng)d=2.0時(shí)，計(jì)算得系統(tǒng)(1)的Lyapuvnov指數(shù)分別為LE1=0.048 4，LE2=0，LE3=-0.395，則系統(tǒng)(1)的Lyapunov維數(shù)為

這時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生單翼混沌吸引子.

2) 當(dāng)d=3.0時(shí)，可得系統(tǒng)(1)的Lyapuvnov指數(shù)分別為LE1=0.048 4，LE2=0，LE3=-0.276 2，系統(tǒng)(1)的Lyapunov維數(shù)為

這時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生雙翼混沌吸引子.

3) 當(dāng)d=3.6時(shí)，可得系統(tǒng)(1)的Lyapuvnov指數(shù)分別為LE1=0.028 6，LE2=0，LE3=-0.244 3.系統(tǒng)(1)的Lyapunov維數(shù)為

這時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生三翼混沌吸引子.

4) 當(dāng)d=5.0時(shí)，計(jì)算得系統(tǒng)(1)的Lyapuvnov指數(shù)分別為LE1=0.077 8，LE2=0，LE3=-0.244.系統(tǒng)(1)的Lyapunov維數(shù)為

這時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生四翼混沌吸引子.

系統(tǒng)(1)具有一個(gè)正的Lyapunov指數(shù)，且其Lyapunov維數(shù)是分?jǐn)?shù)，因而系統(tǒng)(1)是混沌的.

3 系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)

文中用線性電阻、電容、模擬乘法器和運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬電路系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)所提出的新混沌系統(tǒng)(1)，其實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示.采用模擬乘法器AD633JN，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中非線性乘積項(xiàng)的乘法運(yùn)算；運(yùn)算放大器選用LF347N，其電源電壓VCC=15 V，VEE=-15 V，輸出飽和值Vsat=±13.5 V，它分別與電容、線性電阻組合實(shí)現(xiàn)積分、加減和反相等運(yùn)算.

圖2 混沌系統(tǒng)(1)的電路實(shí)現(xiàn)Fig.2 Circuit of implemented chaotic system (1)

通過在Multism 12仿真平臺(tái)上運(yùn)行圖2所示的電路系統(tǒng)，并借助于虛擬示波器分別得到了當(dāng)d等于2.0，3.0，3.6，5.0時(shí)的相圖，如圖3所示.

(c) 三翼 (d) 四翼圖3 混沌系統(tǒng)(1)的混沌吸引子的仿真分析Fig.3 Experimental observation of chaotic attractor of chaotic system (1)

由圖3可知：與數(shù)值仿真相比，所獲得的結(jié)果與數(shù)值仿真非常接近，這說明系統(tǒng)(1)中存在的混沌吸引子可以通過實(shí)際電路實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)束語

提出一個(gè)新的混沌系統(tǒng)，與己有混沌系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)只有一個(gè)零平衡點(diǎn)，并且在不同參數(shù)下零平衡點(diǎn)性質(zhì)不同，可以產(chǎn)生單、雙、三及四翼混沌吸引子，具有更加豐富的動(dòng)力學(xué)特性.此外，系統(tǒng)是關(guān)于y=-x對(duì)稱的，其散度不是常數(shù).該混沌系統(tǒng)在較大的參數(shù)范圍內(nèi)具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，在通信的同步控制和圖像處理方面更具有理論和工程應(yīng)用價(jià)值.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 崔長彩)

Construction of Chaotic System With Multi-Winged Attractors and Its Circuit Implementation

HU Chunhua1，2， WANG Zhonglin3， WANG Chunmei4， SUN Ping2

(1. Department of Electronics Engineering, Binzhou University， Binzhou 256603， China;2. School of Physics and Electronics, Shandong Normal University， Jinan 250014， China;3. College of Aeronautical Engineering, Binzhou University， Binzhou 256603， China；4. College of Information Engineering, Binzhou University， Binzhou 256603， China)

A novel chaotic system with single zero-balanced point is constructed in this research. The system is different from the generalized Lorenz system with its divergence， symmetry and the stability of zero-balanced point. The new system is able to produce single-winged， double-winged， three-winged and four-winged chaotic attractors. In addition， a simulation circuit of the system is designed to implement the proposed system. The circuit simulation results are inagreement with numerical simulation and dynamic analysis， which verifies the chaotic characteristics of the proposed system. Keywords：chaotic system； multi-winged attractor； electronic circuit； Lyapunov index； Multism 12 simulation platform

10.11830/ISSN.1000-5013.201703004

2016-11-16

胡春華(1979-)，女，副教授，博士，主要從事EDA技術(shù)與混沌理論應(yīng)用的研究.E-mail:bzhuchunhua@126. com.

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014FQ019)； 山東省濱州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014ZC0208)； 濱州學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(BZXYG1618)

TN 914.42

A

1000-5013(2017)03-0300-06