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基于李雅普诺夫指数的离散混沌系统的控制研究

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第17卷第2期 VoI_17 No.2 控制与决策 2002年3月 Mar.2002 Control and Decision 文章■母:1001—0520(2002)02-0171—04 基于李雅普诺夫指数的离散混沌系统的控制研究 姚明海 ,齐冬莲。,赵光宙 (1_浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310014;2.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027) 擅要:讨论了通过改变离散j昆沌春筑的辛雅瞢诺夫指数对离散混沌幕筑进行拉,I的一种方法。离散 混沌系筑的辛雅瞢诺夫指数可按昔要配置膏负位,从而使系筑牧敛到任意的期望点上.仿真和实验结果 表明,诫拦制方法是有效的,可以实现幕筑的快速藿定。 美■谓t离散混沌幕筑}辛雅瞢诺夫指数I不动点 中田分类号:什27 文■标识码:A On control of discrete-time chaotic systems based on Lyapunov exponents YAO Ming—hai , Dong—lian。,ZHAO C-,uang-zhou (1_Colle ̄of Information Engineering,Zhejiang University of Teel-aaolo&,y,Ha咄u 310014 ChinaI2.College ofElectricalEngineering,Zhajlang University,Hangzhou 310027,China) Al ̄{xaet:A control scheme based oil Lyspunov exponen ̄of the systems is proposed for d c te—time chaotic systems.The Lyapunov exponents can be set negative a∞ord g to the need and the system wit1 be converge to Lrbitrary fated pomt.Simulation results demonstrate the effectiveness of the propped method end that sstyems have perfect perf。rmance in the dynamlc stability uader this scheme. Key words:dlscr ̄e—time chaotic systems}Lyapunov exponentsI fixed p。_岫t 1引 言 系统是收敛的还是混沌的[1 。当系统的李雅普诺夫 指数中至少有一个为正时,系统是混沌的,当系统的 混沌现象存在于数学、物理、力学、天文学、化学 李雅普诺夫指数均为负数时,系统是收敛的。因此, 通过改变系统李雅普诺夫指数的符号,便可改变系 统的运动状态。近几年来,脒关荣等 n 讨论了将 离散非线性系统的李雅普诺夫指数配置为大于零而 工程学、光学和社会学等许多镊域,因此,混沌作为 确定性非线性动力学系统解的重要特征巳引起人们 的广泛注意[】]。对某些系统而言,混沌的出现是有害 的,因此人们总是采用一些方法来消腺系统中的混 沌 经过近1O年的研究,人们巳找出一些控制混沌 使系统变成混沌系统的方法。本文则提出通过将离 散混沌系统的李雅普诺夫指数配置为负数,从而实 现对离散混沌系统进行控制的一种方法,利用该方 系统的方法,如OGY方法及其改进方法[ 、连续 控制方法[. 和工程控制方法E ”等。 研究发现,系统的李雅普诺夫指数可用来判断 收翦日期:2001—06-06;謦回日期:2001—09—04 法可将离散混沌系统稳定在任意期望点上。 作者筒介:蜘明海(1963一),男,浙江加善人,耐教授,硕士,从事混沌控制理论应用、自适应控制等研究i赵光宙(1946一), 男,浙江东阳人,院长,教授,博士生导师,从事非线性系统控制、璜铡控制等研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com

172 控 制 与 决 策 J( 。)一E 第17卷 (5) 2控翻方法 考虑一般的离散混沌系统 矩阵E的特征值为{ =e’,i一1,2’..-,n)。由于 均为负实效,故矩阵E对应的特征值 均为小于1 …『.,1 以+ :,(以) ,zi , 的正数,因此不动点z。为系统(4)的稳定不动点。 ‘ l zi ……, (1) 且映射,连续可徽,所以系统(4)的状态变量在点 。周围存在一个吸引区域,由此区域内出发的点, 经过一定次数的迭代后,均会收敛妻l期望点z。。 下面证明对角阵E中的 即为所配置的李雅 普诺夫指数m]。对于所有的 一0,1,..・,设 ‘)= (而)Jj_l(而一1)… 1(z1)Jo(如) (6) L (z , ” …, 其中,状态变量以= 界。 z ) ∈R , z。已知,映射,连续可微,,的Jacobi矩阵连续且有 引理lm 对于离散系统(1),如果其映射,连 续可徽,其Jacobi矩阵连续且有界,则当系统的李亚 普诺夫指数中至少有一个为正时,系统是混沌的I当 系统的李雅普诺夫指数均为负数时,系统是收敛的。 设系统(1)的期望点为z‘。令控制序列{ }:.。 满足 一且 (Ti0’))为 0‘)矩阵的第 个奇异值。由矩 阵的奇异值定义知,如果 ( ,0。))为 0。)矩 阵的第i个奇异值,则存在 ( 0‘))≥0,且当 雎( ‘))≠0时,有 1 O"i=lia÷lrn ( r )) ●—一 Bx^+e (2) i=1,2,…,n,^一1,2,… (7) 其中,B为待定的n×n常数阵,C为待定的n×1常 数矩阵。夸B和C满足 e^ 0 O e : ● … 为设计控制器,可以选定 越( f( ‘))=e ‘ i一1,2,…,n,k一1,2,… (8) O oo-0 : ● B一一 (z )+ 其中 为任意设定的常数。 (3) : ● ‘・ ● 另外,根据离散系统的李雅普诺夫指数定 义m】,对于控{圊系统(4),当初始点给定时,系统的 (z。}r-。轨道的第f个李雅普诺夫指数定义为 1 O 一 O o.o e (z’)+E C一一f(z‘)一 ‘+z。 ^(蕊)一lia÷lrn( (Ti(如)))= … 其中, 一。)为映射,在点z。处的Jacobi矩阵,O"i(f 1 1,2,…,n)为设定的负实常数,E为如下常对角 O O lia÷1rn{ (1,^( ・)…Jl(工1) 0( D))) i一1.2,…,n (9) 阵 oo・ 由式(6)~(9)可以得出,对于给定的 ,有 (z。)一 ,i一1,2,…,n (10) E— 0 e’ : ● ・-・0 : ● : ● ‘. _ 由上述分析可知,当系统(1)的状态变量在控 制区域内时,在控制序列(2)的作用下,系统(1)的 李雅普诺夫指数变为负数,系统运动由混{屯变为收 敛。因此,利用上述方法可实现对混沌系统的控制, 0 O o ̄o e 定理1 如果离散混沌系统(1)的映射,连续 可擞,其Jacobi矩阵连续且有界,则在控制序列(2) 的作用下,系统(1)在点z。附近是收敛的,且对角 相应的李雅普诺夫指数 可根据具体要求设定。另 方面,当系统(1)的状态变量不在控制区域内时, 系统(4)有可能发散,这时一般不对系统(1)进行控 一阵E中的 即为受控系统的李雅普诺夫指数。 证明 将控甜序列 加入系统(1)的右边,得 +l—f(瓢)+ ‘, k一1,2,…, 制,系统的状态变量仍按系统(1)进行演变。由于混 沌系统具有遍历性,经过一定次数的演变后,其状态 将式(3)代人上式,经整理得 n+l=f(xD—f(z )+J ’)(z。一 以)+E(xt—z )+ ‘ (4) 变量会进入控制区域。这时按式(2)设计控制序列, 将系统(1)的李雅普诺夫指数全部配置为负值,从 而使系统(1)的状态变量按要求收敛到期望点z 上,实现了系统的混沌控制。口 显然, 。为系统(4)的不动点。系统(4)在点z。处 的Jacobi矩阵为 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 姚明海等:基于李雅普诺夫指数的离散混沌系统的控制研究 将控制序列” 加入系统(11),经整理得 173 3 仿真研究 本文利用上述控制方法,对一常见的离散混沌 1l L 1=一1-+1:0.8“+T .4zi+l0.16 _52矗+0.O16 n ’ 设H ̄non映射(11)的初始点为(1.0,1.3),剜 系统的状态方程如图z所示。根据控制理论知识m], 模型——H邑non映射进行控制研究。H ̄.non映射可 表示为 』 +1 一。 +  (11) 求得式(12)的控制区域为矗∈(13/70,228/245),() +1— j 其中n和b为控制参数。系统有两个不动点,即 f(6—1)土 (6—1) +4a —————1 ———一’ 6T(b-1) ̄d(b-i)z-4-4 ̄) 当系统的控制参数取为口=1.4,b=0.3,初始点为 (0.1,一0.3)时,迭代系统方程5 000次,得到系统 (11)的状态如图1所示。由图可见,系统的状态图存 在分形结构,因此系统(11)是混沌的。 圈1 H抽∞硅射轨道 候设要将系统(11)的状态值稳定在点(0.4, o.8)上,此时系统的不动点为(0.631 4,0.189 4), (一0.131 4,一0.03 9 4)。当系统在期望点(0.4, 0.8)附近的两个李雅普诺夫指数都小于零时,才有 可能将系统稳定在期望点上。不妨设 =ln 0.4 ≈一0.916 3, 一In 0.8≈一0.223 1。参数B,C和 控制序列” 分别为 B一一 (。.4'0.8)+ 。 — L 0 0.8 厂1.52 —1] L——0.3 0.8 J c=一,c0.4,0.8 一 [:: ]+[:: ]一 [-¨0,9 8 ] ”。=Bx+C= [ 52 [ ]+ 0. 9。84] ∈(一o。,q-co)。当系统状态变量在此控制区域 时,将控制序列“ 加入系统(11),使整个受控系统 的状态方程演变为系统(12),得受控H ̄non映射的 1. 1. 矗吼 0. 一tf. 选代擞量一 (a) 控制区域 (b) 控制区域 圈2曩慕蟪状态 “)状态变量‘ (b) 状态变量 翻3受控慕菇状蠢 维普资讯 http://www.cqvip.com

174 控 制 与 决 荒 第17卷 状态如图3所示。由图3可见,由于系统的初始点为 (1.0,1.3),不满足控制条件,园此开始时没有对系 统进行控制,系统的状态值根据原系统(11)进行迭 代。迭代1次后,系统的状态值变为(O.9,0.3),已在 控制区域内,这时开始对系统进行控制。选代17欢 lig nfeedback口].Phys Lert A,1992.170(6):421-428. [5]BassoM-GenesioR.TesiA.Stabilizingperiodic orbits of forced systems via generalized pyrng ̄s controllera [J].]EEE Trzns on Circ Syat I,1997,44(10)l1023— 1027. 后,系统的状态变量 的值稳定在不动点0.8上I迭 代7次后,系统的状态变量南的值稳定在不动点 0.4上。由此可见,利用上述控制方法可将H ̄non映 [6]Brandt M E,Chen G.Feedback control of a quadratci map model of cardisc chaos[J].Int J Bifure and Chaos, l996.6(4);715—723. [7]ChenG,Dongx,Onfeedback conta ̄o[chaodc d amj— cal systems口].Int JBifurc andChaos,1992,2(2):407— 4l1. 射的状态变量快速稳定在期望点上。 4 结 论 [8]Chen G,Dong x.From cbeos to order:Perspectives and methodologie3 in concrolHng chaotic nonlinear 研究表明:在控制区域内.将控制器施加到离散 混沌系统(1)上,可按需要配置系统的李雅普诺夫指 dynamical systems口].Int J Bifurc and Chaos,1993.3 (4):l363-1409. 数。当李雅昔诺夫指数均小于零时.系统可收敛到任 意的期望点上。对H ̄non映射的控制研究表明,该 [9]yang L,LIu Z.An improvement and呻f of OGY method[J].App Mtah and Mech,1998,19(1):1-8, 控制方法可以实现系统的快速稳定。 参考文|I(References): [1]陈关荣.控制非线性动力系统的混沌现象[J].控制理论 与应用(Control Theory&Applicado ̄)-1997,14(1): 1-6. [】0]Chert G I Lai D.Feedback control of Lyapunvv expo- nents for discrete—tilne dynamical syste ̄口].Int J Bifurcand Cha∞,1996,6(7):1341—1349. [11]Chen G,Lai D,Making a dynamical system chaotic: Feedback control ofLyspunov exponentsfor discrete— time dynamical sstyems[J].IEEE Trans on Circ st I,1997,44(3):250*253. [2]Ott E.Grebogi c,Yorke J A.Controlling chaos[J]. PhysRevLett,1990,64(11):1196-I199, [12]WolfA,Swift JB,SwameyHL,et a1.Determining Lyapunov exponents fom ar time series[J].Ph)rsica D.1985,16(2):285—317. [3]Garfnkeli A.Spano M L,Ditto W L.et a1.Co ̄trolling cardiac chaos[J].Science.1992,257(28):1230-1235. [4]Pyragas K.Continu∞s control of chaos by self-control— [13]精健.现代控制理话基础[M].杭州:浙江大学出版社. 1995.90—92. (上接第170页) [3】T JManaystara.TCTshao,JBentsman,et al_Rejec. tinn of unknown periodic load disturbmaces n contiinuous steel casing process usig lnearnig repetnitive control p— [5]M S Dus3ud,GMichet,L P FouUoy.Applicat ̄n of fuzzy logic control for con ̄nuous casting mold level control[J].衄246—256. Tr ̄ns Con=SystTech,1998,6(2): proach口].IEEE Trans Contr Syst Te*h,1996,4(3): 259—265. [6]N Kiupel,P M Frank,J Wochnik.Improvement of [4]J Paiuk,A Jamni,M Remorino,et a1.The automatic mould level control for a continuous casting process: mokl-!evel control using fuzzy logic口].Eng Appl of Artif Intel1.1994,7(5):493—499. Practical implementation of different control ̄lgorithms [7]H X Li,H B Garland.Conventionalfuzzy eomxol and its enhancement ij].IENE Trans Syst.Man&Cy— becn——Part B:Cybern,1996,26(5):791—797. [A].Proe IFAC Automat in Mining,Mineral and Met— al Proc[C].Buenos Aires,1989.205—208. 

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