利用非线性动力学系统研究混沌现象

以相图和庞加莱点作为表征手段,本文对受外力驱动的一种非线性动力学系统混沌摆的摆动行为进行研究,考察了该混沌摆系统的运动状态随驱动力频率变化的特征。同时我们建立了该系统的理论模型,通过数值计算模拟该混沌摆运动状态来验证实验结果。实验和仿真结果均表明,随着驱动力频率的增加,混沌摆会有周期和混沌运动状态交替出现的情况,且这种变化近乎为突变的。同时,也从数值仿真结果中观察到了混沌摆运动状态对驱动力频率这一参数的敏感性。本文阐述的仿真和测量研究可以作为本科生的大学物理实验课程中混沌摆实验项目的拓展内容,使有兴趣和能力的同学对非线性动力学系统的混沌现象有更深入的理解和认识。     

弹簧车摆的动力学模拟研究

弹簧牵引下的车摆模型是一个复杂的不可积非线性动力学体系,采用牛顿力学定律建立了车摆模型的动力学方程,运用Matlab软件进行计算机数值模拟并详细讨论了车摆模型中小球和车随时间动力学演化过程和运动特征。研究发现摆球的运动在多数情况下是混沌的,同时也会出现拟周期运动,并在一定范围内出现混沌和拟周期运动并存且交替变化的阵发性混沌运动现象。直观描绘出摆球运动中轨迹图、相图、时域图对下落角度初始值的极端敏感依赖性。通过数值模拟处理不可积系统得到的计算结果为车摆相关模型的物理教学和研究提供参考依据。     

基于PASCO系统的混沌摆实验

基于PASCO系统研制了受周期外力驱动的混沌摆实验仪,调节混沌摆系统的参量可演示非线性动力学特征行为,描绘了无驱动及有驱动下的系统相位图,并分析了初值敏感性、奇异性(奇异吸引子)现象.应用混沌摆的动力学方程,进行Matlab仿真实验.实验结果表明:混沌摆实验系统动力学的性质依赖于振动频率值,系统驱动振幅必须大于一定阈值是混沌相出现的必要条件.     

倒摆运动的混沌行为

设计一个受周期外力驱动的倒摆实验装置,并建立该系统的动力学方程,用线性稳定性分析方法讨论了平衡点附近邻域的稳定性,利用数值计算并结合多种分析方法求解非线性方程并判断解的性质．通过改变系统参数,画出时域图、相图及分岔图,计算分析和实验发现,这个简单的力学系统存在十分丰富的动力学行为（分岔、混沌）．理论分析、数值模拟和实验结果一致．     

新三维混沌系统及其电路仿真

提出了一个新的不同于Lorenz系统和Chen系统的三维连续自治混沌系统.该系统含有五个参数,其中两个方程中各含有一个非线性乘积项.通过理论推导、数值仿真、Lyapunov指数谱、分岔图、Lyapunov维数、Poincare截面图研究了系统的基本动力学特性,并分析了改变不同参数时系统动力学行为的变化.最后设计了硬件电路并运用电子工作平台Multisim软件对该电路进行仿真实验,证实了该混沌系统的可实现性. 关键词： 混沌系统 Lyapunov指数 Poincare截面图 电路仿真     

基于NI-myDAQ数据采集器的混沌电路实验系统

混沌电路是大学物理实验课程中非线性系统教学内容的典型案例,为了提高学生对非线性实验内容的学习效率和自主学习能力,本文设计了一种基于NI-myDAQ数据采集器和LabVIEW软件平台的混沌电路实验系统.该系统可提高混沌参数微小变化的精密性,实时显示并记录不同参数下的混沌现象,能保存相图、时域图和数据.用该系统测量了蔡氏混沌电路,给出了一定参数下的混沌电路实测结果图,并和Multisim仿真结果比较.结果表明,实验系统测量结果与Multisim仿真结果相吻合.     

一个具有完全四翼形式的四维混沌

本文通过引进一个非线性状态反馈控制器, 提出了一个新的四维混沌系统, 该混沌吸引子能在任何方向上都表现出四翼形式. 由于存在一个大的正李雅普诺夫指数, 混沌系统具有一些非常有趣和复杂的动力学行为. 对系统的一些基本动力学特性进行了数值模拟和理论分析, 如平衡点、耗散性、Poincaré映射、频谱、时域谱和混沌行为等. 通过对Lyapunov指数谱和分岔图的分析, 进一步研究了混沌行为的系统参数敏感性. 最后, 设计了一个实现四翼混沌系统的振荡电路, EWB观察结果与数值模拟结果具有良好的一致性.     

对称双弹簧振子受迫、有阻尼横振动的混沌行为

对受周期外力驱动的对称双弹簧振子进行了研究,建立了系统的动力学方程,用线性稳定性分析方法讨论了平衡点附近邻域的稳定性,利用数值计算并结合多种分析方法,求解非线性方程和判断解的性质.通过改变系统参数,画出时域图、相图及分岔图等.计算分析和数值实验发现,这个简单的力学系统存在十分丰富的动力学行为(分岔、混沌).理论分析和数值实验结果一致.     

自治混沌系统的动力学行为及计算机仿真

构造了一类新的含有包含绝对值的非线性项的三维二次自治混沌系统,根据稳定性理论分析了系统的定性行为,并借助Matlab软件进行了数值模拟,得到了系统的部分动力学特性。通过Lyapunov指数谱讨论了系统参数对系统混沌特性的影响,结果表明随着系统参数的变化系统平衡点的稳定性发生变化。进一步通过分岔图、Poincare截面图以及相图验证了上述结论。     

基于忆阻器的多涡卷混沌系统及其脉冲同步控制

忆阻器是一种具有记忆功能和纳米级尺寸的非线性元件,作为混沌系统的非线性部分,能够提高混沌系统的信号随机性和复杂度.本文基于增广Lü系统设计了一个三维忆阻混沌系统.仅仅通过改变系统的一个参数,该系统能产生单涡巻、双涡卷和四涡巻的混沌吸引子,说明该系统具有丰富的混沌特性.首先对该忆阻混沌系统的基本动力学行为进行了理论分析和数值仿真,如平衡点稳定性、对称性,Lyapunov指数和维数,分岔图和Poincare截面等.同时,建立了模拟该忆阻混沌系统的SPICE(simulation program with integrated circuit emphasis)电路,给出了不同参数下的电路实验相图,其仿真结果与数值分析相符,从而验证了该忆阻混沌系统的混沌产生能力.由于脉冲同步只在离散时刻传递信息,能量消耗小,同步速度快,易于实现单信道传输,因而在混沌保密通信中更具有实用性.因此,本文从最大Lyapunov指数的角度实现了该忆阻混沌系统的脉冲混沌同步,数值仿真证实了忆阻混沌系统的存在性以及脉冲同步控制的可行性,为进一步研究该忆阻混沌系统在语音保密通信和信息处理中的应用提供了实验基础.     

一类非线性相对转动系统的混沌运动及多时滞反馈控制

建立一类含非线性粘滑摩擦力的两质量非线性相对转动系统的动力学方程. 研究此非线性相对转动系统在外激励作用下的混沌运动及多时滞反馈控制. 当系统在外激励作用下处于混沌状态时, 考虑引入多时滞反馈对系统的混沌运动进行控制. 应用Melnikov理论给出系统在Smale意义下的混沌临界条件, 研究了多时滞反馈对系统运动及混沌临界值的影响规律. 并结合系统相图、Poincare截面图和功率谱分析多时滞反馈参数对系统混沌运动的控制作用. 关键词： 多时滞 相对转动 控制 数值仿真     

一个新的恒Lyapunov指数谱混沌吸引子与电路实现

通过对改进恒Lyapunov指数谱混沌系统进行进一步演变,并引入新的绝对值项,发现了一种新的混沌吸引子.首先,通过相图、Poincar映射、Lyapunov指数以及功率谱,证明该混沌吸引子的存在性.接着,分析研究了这种新型混沌吸引子的基本动力学行为.Lyapunov指数谱、分岔图和状态变量幅值演变的数值仿真说明,该系统存在全局线性调幅参数,在该参数的调整下,系统输出三维信号的幅度皆能得到线性调整,而系统保持相同的混沌吸引子与Lyapunov指数谱.最后,通过构建电路实现了该混沌系统,观察到相应的混沌吸引子,也验证了全局线性调幅参数的调幅作用,数值仿真与电路实现有很好的一致性.     

Design and multistability analysis of five-value memristor-based chaotic system with hidden attractors

A five-value memristor model is proposed, it is proved that the model has a typical hysteresis loop by analyzing the relationship between voltage and current. Then, based on the classical Liu–Chen system, a new memristor-based four-dimensional(4D) chaotic system is designed by using the five-value memristor. The trajectory phase diagram, Poincare mapping, bifurcation diagram, and Lyapunov exponent spectrum are drawn by numerical simulation. It is found that, in addition to the general chaos characteristics, the system has some special phenomena, such as hidden homogenous multistabilities, hidden heterogeneous multistabilities, and hidden super-multistabilities. Finally, according to the dimensionless equation of the system, the circuit model of the system is built and simulated. The results are consistent with the numerical simulation results, which proves the physical realizability of the five-value memristor-based chaotic system proposed in this paper.     

永磁同步电机的混沌分析及其电路实现

作为一个非线性动力学系统,在一定参数范围和外部输入下永磁同步电机可以呈现非常复杂的混沌运动或极限环,其混沌特性较为显著.在永磁同步电机的非线性数学模型基础上,分析其分叉图、Lyapunov指数图谱和平衡点性质等非线性运动特性,并通过数字仿真得到验证.最后基于该模型设计了相应的模拟电路,实验结果和数字仿真一致. 关键词： 永磁同步电机 混沌 分形分析 电路实现     

一类自治混沌系统的动力学分析与电路实现

分析讨论一类新的三维二次自治混沌系统.通过理论分析、数值仿真,计算系统的Lyapunov指数谱和Lyapunov维数,以及系统的分岔图等,对系统的基本动力学特性进行分析.设计实现该系统的混沌电路,建立系统参数和电路参数的对应关系,运用Pspice软件对电路进行仿真实验,证实分析的正确性.所讨论的系统不同于Lorenz系统、Rössler系统、Chen系统和Lü系统等,且电路实现很简单实用.     

Dynamic analysis and synchronization control of an unusual chaotic system with exponential term and coexisting attractors

This paper reports a new four-dimensional chaotic system consisting of an exponential nonlinear term, two quadratic nonlinear terms and five linear terms. The system has only one equilibrium and performs stability, periodicity and chaos with the variation of the parameters. It losses its stability with the occurrence of Hopf bifurcation and goes into chaos via period-doubling bifurcation. One more interesting feature of the system is that it can generate multiple coexisting attractors for different initial conditions, such as two strange attractors with one limit cycle, one strange attractor with two limit cycles, etc. The dynamic properties of the system are presented by numerical simulation includes bifurcation diagrams, Lyapunov exponent spectrum and phase portraits. An electronic circuit is constructed to implement the chaotic attractor of the system. Based on the linear quadratic regulator (LQR) method, the synchronization control of the system is investigated.     

一个新的三维二次混沌系统及其电路实现

为了产生复杂的混沌吸引子，构造了一个新的三维二次自治混沌系统.该系统含有三个参数，每一个方程含有一个非线性乘积项.利用理论推导、数值仿真、Lyapunov指数谱和分岔图对系统的基本动力学特性进行了分析.结果表明，该系统具有五个平衡点，因而与Lorenz，Rsslor，Chen、Lü等混沌系统是非拓扑等价的；当其参数满足一定条件时，系统是混沌的.与Lorenz等混沌系统相比，该系统具有更大的正Lyapunov指数，能够产生复杂的混沌吸引子和一些有趣的动力学行为.最后，设计了实现该系统的混沌电路，电路实验结 关键词： 三维二次自治系统 混沌 混沌吸引子 电路实现     

Dynamical analysis and circuit simulation of a new three-dimensional chaotic system

This paper reports a new three-dimensional autonomous chaotic system.It contains six control parameters and three nonlinear terms.Two cross-product terms are respectively in two equations.And one square term is in the third equation.Basic dynamic properties of the new system are investigated by means of theoretical analysis,numerical simulation,sensitivity to initial,power spectrum,Lyapunov exponent,and Poincar’e diagrams.The dynamic properties affected by variable parameters are also analysed.Finally,the chaotic system is simulated by circuit.The results verify the existence and implementation of the system.