分數階Sprott-F不確定混沌系統的適應滑模同步

王東曉,雷騰飛,毛北行

(1. 鄭州航空工業管理學院 數學學院,鄭州 450015；2. 齊魯理工學院 機電工程學院,濟南 250200)

目前,混沌同步已引起人們廣泛關注[1-2],隨著分數階微分建模方法的發展及滑模方法的引入,分數階混沌系統的滑模控制研究已取得了較多成果[3-4],其中不確定項和外部擾動在實際系統中大量存在,如文獻[5-6]分別用自適應滑模和終端滑模方法研究了不確定分數階Victor-Carmen混沌系統及Duffling混沌系統的同步問題；文獻[7]研究了分數階不確定混沌系統的異結構同步問題；文獻[8]研究了不確定分數階Genesio-Tesi系統的適應轉移滑模同步問題；文獻[9]用兩種方法研究了不確定Newton-Leipnik分數階系統滑模同步；文獻[10]基于滑模控制研究了分數階不確定超混沌金融系統的同步；文獻[11]研究了Bao超混沌分數階系統的比例積分滑模同步. 由于Sprott混沌系統代表一大類非線性混沌系統,且應用廣泛,因此已引起人們廣泛關注. 如文獻[12]研究了Sprott-Ⅰ混沌系統的動力學解析問題; 文獻[13-14]研究了二維Sprott系統的分析、控制和同步問題; 文獻[15]研究了Sprott-O含參系統的延遲反饋同步; 文獻[16]研究了Sprott-D系統的H∞同步; 文獻[17]研究了分數階Sprott-C系統的適應滑模同步；文獻[18]研究了Sprott-F系統的混沌反控制. 但關于不確定分數階Sprott-F混沌系統滑模同步的研究目前文獻報道較少,基于此,本文研究分數階具有不確定項和外部擾動Sprott-F混沌系統適應滑模同步,通過構造合適的分數階滑模面和控制律及適應規則,得到不確定分數階Sprott-F混沌系統取得自適應滑模同步的兩個充分條件.

1 主要結果

定義1[19]Caputo分數階導數定義為

分數階Sprott-F混沌系統為

(1)

當b=0.5,q=0.95時,系統(1)的吸引子如圖1所示.

以系統(1)為主系統,設計從系統為

(2)

其中Δf(y)為系統的不確定項,y=(y1,y2,y3),d(t)為有界的外部擾動,u(t)為控制器. 由于系統存在不確定項和外部擾動項,因此系統不是混沌態. 定義ei=yi-xi,可得

(3)

加上不確定項和擾動后,系統階數變化下的動力學行為如圖2所示.

圖2 階數變化下的動力學行為Fig.2 Dynamic behavior under change of order

假設1|Δf(y)|≤m,|d(t)|≤n,其中未知參數m,n>0.

引理1[19]若x(t)為連續可微函數,則對?t≥t0,有

(4)

適應規則為

(5)

從而得到分數階微分方程

(6)

對式(6)利用Laplace變換,并記E2(s)=L(e2(t)),可得

利用Laplace終值定理得

不在滑模面上時,構造函數

(7)

由引理1,求分數階導數得

考慮整數階Sprott-F混沌系統

(8)

以系統(8)為主系統,設計從系統為

(9)

其中Δf(y)為系統的不確定項,y=(y1,y2,y3),d(t)為有界的外部擾動,u(t)為控制器,定義ei=yi-xi,可得

(10)

(11)

適應規則為

(12)

不在滑模面上時,構造函數(7)，由引理1,求分數階導數得

2 數值仿真

用MATLAB進行數值仿真. 參數分別為

b=0.5,q=0.95, Δf(y)=0.5cos(2πy3),d(t)=0.6sin(t),

初始值設為

(x1(0),x2(0),x3(0))=(0.1,0.2,0.1),η=1,k=3.

加上不確定項和擾動后,系統階數變化下的動力學行為如圖2所示. 由圖2可見,加入控制器后,一段時間后系統呈分岔特性,當q>0.95時,定理1和定理2的系統誤差曲線分別如圖3和圖4所示.

圖3 定理1中的系統誤差曲線Fig.3 Systematic error curves in theorem 1

圖4 定理2中的系統誤差曲線Fig.4 Systematic error curves in theorem 2

圖5 定理1中加入控制器后的變化曲線Fig.5 Change curve after adding controllers in theorem 1

圖6 定理2中加入控制器后的變化曲線Fig.6 Change curve after adding controllers in theorem 2

由圖3和圖4可見,誤差動態系統在初始時相差較大,且距原點較遠,一段時間后逐漸趨近于坐標原點,表明分數階Sprott混沌系統的主從系統取得了滑模同步. 在定理1和定理2中加入控制器后的變化曲線分別如圖5和圖6所示. 由圖5和圖6可見,當初始時刻未加入控制器時,控制輸入量為零,加入控制器后,控制量隨時間的增加而發生變化,當系統取得滑模同步時,系統的控制量穩定為常數值. 定理1和定理2的滑模函數變化曲線分別如圖7和圖8所示. 由圖7和圖8可見,一段時間后滑模面趨近于坐標原點,系統狀態可被驅動到原點并沿滑模面移動到坐標原點,從而達到滑模動態控制的理想效果. 定理1選取分數階滑模面,定理2選取整數階滑模面,定理2是定理1的特例. 該研究結果表明,定理1的結論可推廣到整數階系統,因此對定理2也適用. 與用全息的動態誤差函數作為滑模面相比,本文用半截誤差函數作為滑模面,因而滑模面的形式更簡單,用控制輸入的方式較易將誤差動態系統驅動到滑模面,在滑模趨近階段可沿滑模面快速趨近于坐標原點,從而達到對分數階Sprott混沌系統進行同步控制的目的.

圖7 定理1中滑模函數的變化曲線Fig.7 Change curve of sliding mode function in theorem 1

圖8 定理2中滑模函數的變化曲線Fig.8 Change curve of sliding mode function in theorem 2

綜上,本文研究了具有不確定項和外部擾動分數階Sprott-F混沌系統的適應滑模同步,通過構造合適的滑模面,得到不確定分數階Sprott-F混沌系統取得適應滑模同步的兩個充分條件. 研究表明,不確定Sprott-F混沌系統在一定假設下是適應滑模同步的,并將分數階的研究結論推廣到整數階.