韓建群，田 瑩，劉 嚴(yán)

HAN Jianqun,TIAN Ying,LIU Yan

渤海大學(xué) 工學(xué)院，遼寧 錦州 121000

College of Engineering,Bohai University,Jinzhou,Liaoning 121000,China

1 引言

眾所周知，能夠產(chǎn)生奇異吸引子的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)很多，主要有Lorenz系統(tǒng)[1-4]、Logistic映射[5-7]、Henon映射[8-10]和Duffing系統(tǒng)[11-15]。確定性杜芬（Duffing）方程是G.Duffing在19世紀(jì)研究機(jī)電系統(tǒng)時(shí)提出的力學(xué)模型，后來一直作為非線性動(dòng)力學(xué)、特別是混沌研究中的一個(gè)范例，在劉華杰所著《分形藝術(shù)》中曾指出：日本京都大學(xué)上田皖亮研究此方程達(dá)三十多年，并且他發(fā)現(xiàn)微分方程中蘊(yùn)含的混沌要比洛侖茲（Lorenz）更早，這一情況可以通過他的著作《通向混沌之路》得知。另外，他于1978年使用非線性電感、電容加上正弦電壓構(gòu)成非線性電路進(jìn)行仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了方程 x¨+kx˙+x3=rsin(ωt)所描述的非線性電路中的混沌現(xiàn)象，開辟出一條從準(zhǔn)周期進(jìn)入混沌的道路。

隨著對(duì)混沌理論不斷地深入研究，混沌系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，從強(qiáng)噪聲背景中提取微弱有效信號(hào)是一個(gè)混沌應(yīng)用的重要發(fā)展方向[12-14]。從文獻(xiàn)[12-16]研究對(duì)象來看，目前對(duì)Duffing方程的研究都是采用二階微分方程的形式或狀態(tài)方程的形式，本文通過對(duì)Duffing方程非線性恢復(fù)力進(jìn)行變量分解定義，建立了三階Duffing狀態(tài)方程，該方程有助于將Duffing方程中非線性變量信息分解出來。

2 三維Duffing系統(tǒng)模型建立

Duffing方程是表示混沌行為的最簡單系統(tǒng)之一，它可以描述許多不同的物理系統(tǒng)，文獻(xiàn)[15-16]給出的Duffing系統(tǒng)可以由下面的狀態(tài)方程（1）描述：

其中，rcosωt是內(nèi)置信號(hào)，k為阻尼系數(shù)，x-x3為非線性恢復(fù)力。傳統(tǒng)的Duffing系統(tǒng)的研究常采用二維方程式（1）的形式，這樣一般只能考察二維信息，本文擬通過改變方程式（1）的維數(shù)并建立與其等效的三維的Duffing狀態(tài)方程，從而可以得到有關(guān)Duffing系統(tǒng)更多更直觀的信息。

式（2）積分結(jié)果為：

方程式（3）中c是由系統(tǒng)初始狀態(tài)確定常量。當(dāng)Duffing系統(tǒng)初始狀態(tài) x(0)=0和 z(0)=0時(shí)，c=0。這里式（3）可以由式（1）中的第二方程式通過變量分解得到。但是通過定義微分方程式 z˙=3x2y，可以建立與方程式（1）等效的三維Duffing混沌動(dòng)力系統(tǒng)式（4）。

如果Duffing混沌動(dòng)力系統(tǒng)初始狀態(tài) x(0)≠0和z(0)≠0那么存在c≠0。通過上述變量的定義，并引入變量 b，方程（1）可以修改為方程（5），方程（5）是方程（4）的一般形式，需要調(diào)整變量b的值來抵消c的影響。

3 系統(tǒng)仿真

由文獻(xiàn)[13]可以知道，在一定條件下，Duffing動(dòng)力系統(tǒng)中，r k與ω關(guān)系在平面上存在兩條界帶狀區(qū)域，當(dāng)在該區(qū)域內(nèi)取值時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)是混沌的。在本文中，當(dāng)取k=0.5，ω=1時(shí)，策動(dòng)力存在邊界值rd=0.84；當(dāng)取r=kd時(shí)，系統(tǒng)不是混沌的，這時(shí)系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)。當(dāng)策動(dòng)力幅值r＜rd時(shí)，系統(tǒng)才進(jìn)入混沌狀態(tài)，本文取參數(shù)r=0.72，采用MATLAB數(shù)學(xué)仿真軟件中的SIMULINK工具箱，根據(jù)方程式（5）建立仿真模塊圖1。

圖1 三維Duffing系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)初始狀態(tài)取 x(0)=0、y(0)=1、z(0)=0、b=0，即仿真系統(tǒng)方程式（4）的情況。當(dāng)采用二維Duffing系統(tǒng)（1）進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生混沌相圖2，當(dāng)采用基于方程式（4）的三維Duffing系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生混沌相圖3，圖4、5、6是圖3在 xoy平面、yoz平面、xoz平面上的投影。觀察圖2和圖4，可以看出三維Duffing混沌系統(tǒng)相圖與二維Duffing混沌系統(tǒng)相圖在xoy平面是相同的。圖5和圖6是在三維Duffing混沌系統(tǒng)中才出現(xiàn)的結(jié)果。

圖2 二維Duffing混沌系統(tǒng)相圖（x（0）=0、y（0）=1）

圖3 三維Duffing混沌系統(tǒng)相圖（x（0）=0、y（0）=1、z（0）=0、b=0）

圖4 三維Duffing混沌系統(tǒng)在xoy平面上投影（x（0）=0、y（0）=1、z（0）=0、b=0）

圖5 三維Duffing混沌系統(tǒng)在yoz平面上投影（x（0）=0、y（0）=1、z（0）=0、b=0）

本文所提出的基于三維Duffing混沌系統(tǒng)式（4）進(jìn)行仿真的方法要求系統(tǒng)初始狀態(tài)滿足x(0)=0和z(0)=0條件，否則系統(tǒng)狀態(tài)可能是非混沌的。圖7就是當(dāng)系統(tǒng)（4）初始狀態(tài) x(0)=0、y(0)=1、z(0)=2時(shí)系統(tǒng)相圖，可以看出系統(tǒng)不是混沌的。這里令系統(tǒng)方程式（5）中的變量b=2，即仿真系統(tǒng)方程式（5）的情況，系統(tǒng)相圖如圖8所示，可以看出系統(tǒng)是混沌的。即通過調(diào)整變量b，可以抵消初始狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，保持系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)。

圖6 三維Duffing混沌系統(tǒng)在xoz平面上投影（x（0）=0、y（0）=1、z（0）=0、b=0）

圖7 三維Duffing混沌系統(tǒng)在xoy平面上投影（x（0）=0、y（0）=1、z（0）=2、b=0）

圖8 三維Duffing混沌系統(tǒng)在xoy平面上投影（x（0）=0、y（0）=1、z（0）=2、b=2）

4 結(jié)論

本文首先運(yùn)用數(shù)學(xué)方法證明了二維Duffing系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為三維Duffing系統(tǒng)的可行性，然后從實(shí)際仿真的結(jié)果上，給出了三維Duffing系統(tǒng)的狀態(tài)，因此比較直觀，能夠展現(xiàn)更多的有用信息，并且該三維Duffing系統(tǒng)與二維系統(tǒng)在一定條件下是可以等效的。本文確定的三維Duffing系統(tǒng)值得在今后的混沌控制和保密通信研究中深入探討。

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