时滞耦合系统非线性动力学的研究进展

随着对自然界客观规律的深入认识,工程系统设计的精细化和复杂性要求也与日剧增.在许多耦合的动态系统设计过程中要考虑由耦合过程的时滞所引发的动力学行为,该时滞来自于与传感系统、作动系统和控制系统耦合的过程.耦合时滞也广泛存在于交通、系统生物学、电子通讯、神经和信息网络等技术中.本文首先从耦合时滞出发,在以时滞为中心的耦合系统复杂动力学机制、时滞镇定耦合系统的实验基础和实现、快慢变时滞耦合系统动力学和时滞神经网络同步和去同步4个方面,对耦合时滞诱发的动力学研究进展进行综述.着重介绍了时滞耦合系统中耦合时滞诱发的高余维分岔奇异性及新的定量分析方法、中立型时滞微分方程的规范型计算、具有耦合时滞的非线性系统中耦合时滞和非线性参数的辨识方法与实验实现、快慢变时滞耦合系统的张弛振荡、耦合时滞诱发的网络系统的同步模式切换等问题的研究进展;然后在应用方面重点介绍了车床磨削加工过程中耦合时滞诱发的颤振及其机理、具有惯性项和耦合时滞的神经网络系统中耦合时滞诱发的高余维分岔和复杂动力学、时滞动力吸振器与隔振装置的设计与实验实现.最后,从耦合时滞系统的一般性理论和工程应用两个方面展望了近期值得关注的一些问题.     

时滞反馈控制的若干问题

近几十年来, 时滞系统动力学的研究得到了众多学者的大量关注, 研究者在时滞系统的稳定性、非线性、辨识、时滞消除与利用技术等方面做了大量研究, 取得了许多成果. 本文主要介绍作者十多年来在时滞系统动力学方面的研究成果, 包括时滞辨识、两种基于时滞方程的控制律的设计方法、时滞鲁棒控制律的设计、时滞正反馈控制技术、非线性结构时滞控制律的设计、时滞实验等内容.     

非线性时滞动力系统的研究进展

具有时滞的动力系统广泛存在于各工程领域．本文从动力学角度对时滞动力系统的研究进展作一综述,内容包括时滞动力系统的特点、研究方法、动力学热点问题的研究进展等．由于时滞动力系统的演化趋势不仅依赖于系统的当前状态,还依赖于系统过去某一时刻或若干时刻的状态,其运动方程要用泛国微分方程来描述,解空间是无穷维的．即使系统中的时滞非常小,在许多情况下也不能忽略不计．对于非线性时滞常微分方程,目前的研究思路基本上与常微分方程系统理论相平行．主要研究方法可分为时域法和频域法,前者包括Ｔａｙｌｏｒ级数法,中心流形法,Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射法等,后者包括Ｎｙｑｕｉｓｔ法等．目前对这类系统的动力学研究主要集中在稳定性、Ｈｏｐｆ分岔、混沌等方面．研究表明：时滞动力系统具有非常丰富和复杂的动力学行为,如单变量的一维非线性时滞动力系统可发生混沌现象,与用常微分方程描述的系统有本质性差别．另一方面,人们可巧妙地利用时滞来控制动力系统的行为,如时滞反馈控制是控制混饨的主要方法之一．最后,本文展望了存在的一些问题以及近期值得关注的研究．     

一类平面自治非线性时滞控制系统的多稳态和混沌

众所周知,平面自治系统即使具有光滑非线性存在,系统也不会出现复杂的动力学行为。本文研究这样的系统存在时滞时,时滞量对系统的动力学行为的影响。通过对一个平面自治非线性系统引入时滞反馈,得到数学模型。利用泛函分析和平均法建立系统平衡态随时滞量变化的失稳机理,研究表明：时滞量平面自治系统动力学行为的影响是本质的．时滞量不但可以使系统出现Hopf分岔,产生周期振动。而且还可以使系统出现多稳态的周期运动或周期吸引子,这些共存的吸引子相碰是导致系统复杂的动力学行为,包括概周期和混沌运动。     

四神经元时滞网络的稳定性与分岔

本文研究具有长连接的四神经元构成的时滞网络的稳定性与分叉.网络系统可采用一组含有多个时滞的非线性微分方程描述.通过分析网络零平衡点处线性近似系统特征方程的根的分布情况,给出了网络零平衡点全时滞局部渐近稳定条件和与时滞相关的局部渐近稳定条件.讨论网络平衡点的数目及稳定性,得到了网络静态分叉产生条件.以时滞为分叉参数,给出了零平衡点失稳后网络出现由Hopf分叉引起的周期运动的存在性条件.分叉周期运动的性质由网络的非线性因素确定.借助中心流形定理和规范型理论,得到了确定Hopf分叉方向,分叉周期运动稳定性和分叉周期运动周期的公式.最后给出数值算例,验证了理论分析的结果.研究表明:网络中长连接的强度和性质对网络的动力学行为有着重要的影响.     

血细胞生成的系统动力学研究进展

造血系统是人体中复杂的调控系统, 包括复杂的造血器官和各种血液细胞的增生、分化、成熟、死亡等过程和对这些过程的反馈控制, 是典型的非线性时滞动力系统. 血细胞生成过程的失调可以引起很多动态血液病. 血细胞生成的系统动力学研究对于人们了解和治疗这些血液病有重大意义. 本文从造血系统的基本知识、常见动态血液病的临床表现及其动力学特征、理论模型的建立和对模型的动力学分析等方面综述血细胞生成的系统动力学研究进展.     

时滞车辆跟驰模型及其分岔现象

交通流车辆跟驰理论中, 由于生理因素, 造成司机在处理前方车辆变化信息和采取应对措施之间存在时间滞后. 即使是在自动巡航控制系统中, 设备在感知信息、计算所需操作并最终作动车辆这一过程中时滞也不可避免. 因此交通流跟驰理论的数学模型本质上应包含时滞. 时滞的存在对各种交通模式的出现及其相互演化产生怎样的影响? 这是值得我们关注的问题. 本文首先综述了各类时间和空间连续的时滞车辆跟驰模型.其次探究这类模型中存在的分岔现象的研究进展, 并指出目前研究中存在的不足. 最后提出作者的一些看法,运用时滞动力系统理论来深入挖掘富含参数的交通流时滞跟驰模型中隐藏的各种的非线性动力学现象, 这样既可以更好解释真实交通中的各种堵塞模式的形成及其演化机制, 又可以结合交通流参数平面内动力学行为从同步观点给出交通堵塞一种分类. 为交通管理部门的交通控制策略制定提供一定的参考依据, 减缓由于司机反应时滞等因素造成的交通堵塞的发生.     

时滞非线性动力吸振器的减振机理

对一个带有时滞非线性动力吸振器的两自由度结构,采用多尺度法研究了时滞非线性动力吸振器对主系统的减振性能,得到了主系统的振幅-时滞响应曲线.研究结果表明,对时滞非线性动力吸振器,可以通过调节反馈增益系数和时滞控制主系统的振动. 研究还发现,对确定的反馈增益系数,可以存在时滞的一些调节区域,时滞非线性动力吸振器可以减小主系统的振动. 并且在时滞的这些可调区域里,存在一个``最大减振点'对应这一反馈增益系数下主系统振幅的最小值.对不同的反馈增益系数,``最大减振点'对应的主系统的振幅也不同.因此能够找到一组反馈增益系数和时滞量的最佳值,最大程度地减小主系统的振动.研究结果表明,当反馈增益系数和时滞量调到最佳值时,主系统的振动较无时滞非线性动力吸振器可以减少90{\%}左右, 数值模拟也证实了解析结果的正确性.      

基于脉冲控制下的复杂时滞动力网络的鲁棒同步

近年来复杂网络已经引起了科学和工程技术等各个领域的广泛关注,尤其是复杂网络中的非线性动力学行为,以及网络的拓扑结构如何影响它的动力学行为的研究,已成为当前一项极其重要的战略课题.本文主要讨论基于脉冲控制下复杂时滞动力网络的同步动力学,应用时滞动力系统的脉冲控制理论,给出了复杂时滞动力网络的一些简单而又一般的鲁棒同步化准则,这些准则能够提供一个新的和有效的控制方法来同步一个任意给定的时滞动力网络到一个期望的同步态,进一步地将所获得的结果应用到由混沌FHN神经元振子为动力节点所构成的一个具有近邻耦合结构的复杂动力网络,数值模拟表明了所获理论结果的正确性和控制方法的有效性.     

多尺度法在时滞弹性关节机械臂非线性振动问题中的应用

针对非线性弹性关节机械臂,研究传动过程中的时滞效应对机械臂系统周期振动的影响．本文改进了具有弹性关节的非线性机械臂动力学模型,引入时滞参数,应用多尺度法,得到系统的近似解析解,考察了时滞对机械臂系统周期运动的影响规律．数值软件计算结果表明解析解与数值解具有较好的吻合度．从而验证了本文多尺度方法的有效性和正确性．     

时滞动力系统的稳定性与分岔:从理论走向应用

本文综述了近年来时滞动力系统稳定性与分岔方面的研究进展, 重点阐述了作者及其团队在稳定性分析、Hopf分岔计算、利用时滞改善系统稳定性等方面的一些理论和方法研究结果, 介绍了时滞对颤振主动控制系统、不稳定系统镇定、网络系统的影响等方面的研究. 基于研究体会, 对进一步的研究提出了若干展望.     

论迟滞与时滞

迟滞和时滞是自然科学、工程科学、乃至社会科学中常见的两种现象,但在我国学术界常被混淆. 从两种现象的定义和本质出发,阐述两者的共性、个性及其联系. 通过多个例子说明:迟滞现象反映两个相关参变过程周期变化时彼此间的相位滞后关系;而时滞现象则反映两个相关动态过程任意变化时彼此间的时间滞后关系.在某些特定的情况下, 它们可以等同; 但在一般情况下,它们是具有不同性质的两类现象, 尤其在描述记忆特性方面, 两者有本质的差异.      

Almost local stability in discrete delayed chaotic systems

This work studies dynamic of delayed discrete chaotic systems with bounded and unbounded delays. The time lags appear in additive which is coupled with a smooth function and nonadditive forms. It has been shown that, in both additive and nonadditive cases, the primal (non-delayed) system is neutral to the bounded delay to possess an attractive fixed point. Nevertheless, if a nonadditive and unbounded delay is supposed to affect a chaotic and measure preserving system locally, then the delay function might be sensitive to initial states. A local stabilization to the dynamics of Logistic and Gaussian maps are made and creation of attractive fixed points is illustrated.     

Multiplicity-induced optimal gains of an inverted pendulum system under a delayed proportional-derivative-acceleration feedback

This paper studies the stabilization to an inverted pendulum under a delayed proportional-derivative-acceleration (PDA) feedback, which can be used to understand human balance in quiet standing. The closed-loop system is described by a neutral delay differential equation (NDDE). The optimal feedback gains (OFGs) that make the exponential decaying rate maximized are determined when the characteristic equation of the closed-loop has a repeated real root with multiplicity 4. Such a property is called multiplicity-induced dominancy of time-delay systems, and has been discussed intensively by many authors for retarded delay differential equations (RDDEs). This paper shows that multiplicity-induced dominancy can be achieved in NDDEs. In addition, the OFGs are delay-dependent, and decrease sharply to small numbers correspondingly as the delay increases from zero and varies slowly with respect to moderate delays. Thus, the inverted pendulum can be well-stabilized with moderate delays and relatively small feedback gains. The result might be understandable that the elderly with obvious response delays can be well-stabilized with a delayed PDA feedback controller.     

Global asymptotic stability of cellular neural networks with proportional delays

Proportional delay, which is different from distributed delay, is a kind of unbounded delay. The proportional delay system as an important mathematical model often rises in some fields such as physics, biology systems, and control theory. In this paper, the uniqueness and the global asymptotic stability of equilibrium point of cellular neural networks with proportional delays are analyzed. By using matrix theory and constructing suitable Lyapunov functional, delay-dependent and delay-independent sufficient conditions are obtained for the global asymptotic stability of cellular neural networks with proportional delays. These results extend previous works on these issues for the delayed cellular neural networks. Two numerical examples and their simulation are given to illustrate the effectiveness of obtained results.     

非自治时滞反馈控制系统的周期解分岔和混沌

研究时滞反馈控制对具有周期外激励非线性系统复杂性的影响机理,研究对应的线性平衡态失稳的临界边界,将时滞非线性控制方程化为泛函微分方程,给出由Hopf分岔产生的周期解的解析形式．通过分析周期解的稳定性得到周期解的失稳区域,使用数值分析观察到时滞在该区域可以导致系统出现倍周期运动、锁相运动、概周期运动和混沌运动以及两条通向混沌的道路：倍周期分岔和环面破裂．其结果表明,时滞在控制系统中可以作为控制和产生系统的复杂运动的控制“开关”．     

Asymptotic Behaviour for a Class of Non-monotone Delay Differential Systems with Applications

The paper concerns a class of n-dimensional non-autonomous delay differential equations obtained by adding a non-monotone delayed perturbation to a linear homogeneous cooperative system of ordinary differential equations. This family covers a wide set of models used in structured population dynamics. By exploiting the stability and the monotone character of the linear ODE, we establish sufficient conditions for both the extinction of all the populations and the permanence of the system. In the case of DDEs with autonomous coefficients (but possible time-varying delays), sharp results are obtained, even in the case of a reducible community matrix. As a sub-product, our results improve some criteria for autonomous systems published in recent literature. As an important illustration, the extinction, persistence and permanence of a non-autonomous Nicholson system with patch structure and multiple time-dependent delays are analysed.