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.     

磁控二氧化钛忆阻混沌系统及现场可编程逻辑门阵列硬件实现

忆阻器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,减小系统的物理尺寸.本文将磁控二氧化钛忆阻器应用到一个新的三维自治混沌系统中,通过理论推导和数值仿真,从平衡点的稳定性、Lyapunov指数谱、庞加莱截面和功率谱等方面研究了该系统的动力学特性,并详细讨论了不同参数变化对系统相图和平衡点稳定性的影响.有趣的是,在改变参数的情况下,系统的吸引子会产生翻转、混沌程度加剧和混叠的现象,说明该忆阻混沌系统具有丰富的动力学行为.此外,本文将改进的牛顿迭代法运用于现场可编程逻辑门阵列技术中,巧妙设计出一种只迭代3次就能达到所需精度的开方运算器,从而硬件实现了该忆阻混沌系统.这突破了以往忆阻器混沌系统只能在计算机模拟平台仿真的瓶颈,为进一步研究忆阻混沌系统及其在保密通信、信息处理中的应用提供了参考.     

一种最简的并行忆阻器混沌系统

在提出的一种压控忆阻器的基础上, 构造了最简的并联忆阻器混沌系统, 分析其动力学特性, 得到了该系统的Lyapunov指数和Lyapunov维数, 给出了时域波形、相图、Lyapunov指数谱、分岔图、Poincaré映射等. 利用EWB软件设计了该新混沌系统的振荡电路并进行了仿真实验. 研究结果表明, 忆阻器的i-v特性在参数的变化时, 并不保持斜“8”字形, 会变为带尾巴的扇形. 该混沌系统与磁控忆阻器混沌系统不同, 系统只有一个平衡点, 初始条件在系统能振荡的情况下不影响系统状态. 电路实验仿真结果和数值仿真具有很好的一致性, 证实了该系统的存在性和物理上可实现性. 关键词： 忆阻器 混沌电路 并联 动力学行为     

基于有源广义忆阻的无感混沌电路研究

采用常见元器件等效实现一个广义忆阻器, 进而制作出一个电路特性可靠的非线性电路, 有助于忆阻混沌电路的非线性现象的实验展示及其所产生的混沌信号的实际工程应用. 基于忆阻二极管桥电路, 构建了一种无接地限制的、易物理实现的一阶有源广义忆阻模拟器; 由该模拟器并联电容后与RC桥式振荡器线性耦合, 实现了一种无电感元件的忆阻混沌电路; 建立了无感忆阻混沌电路的动力学模型, 开展了相应的耗散性、平衡点、稳定性和动力学行为等分析. 结果表明, 无感忆阻混沌电路在相空间中存在分布2个不稳定非零鞍焦的耗散区和包含1个不稳定原点鞍点的非耗散区; 当元件参数改变时, 无感忆阻混沌电路有着共存分岔模式和共存吸引子等非线性行为. 研制了实验电路, 该电路结构简单、易实际制作, 实验测量和数值仿真两者结果一致, 验证了理论分析的有效性.     

基于忆阻器的时滞混沌系统及伪随机序列发生器

忆阻器作为可调控的非线性元件,很容易实现混沌信号的产生.基于忆阻器的混沌系统是当下研究的热点,但是基于忆阻器的时滞混沌系统目前却鲜有人涉足.因此,本文提出了一个新型忆阻时滞混沌系统.时延的存在增加了系统的复杂性,使系统能够产生更丰富、更复杂的动力学行为.我们对提出的忆阻时滞混沌系统进行了稳定性分析,确定了显示系统稳定平衡点的相应参数区域.讨论了在不同参数情况下的系统状态,系统呈现出形态各异的混沌吸引子相图,表现出丰富的混沌特性和非线性特性.最后,将系统用于产生伪随机序列,并经过实验验证,我们提出的系统具有良好的自相关性和互相关性,同时能获得相对显著的近似熵.该时滞混沌系统具有复杂的动力学行为和良好的随机性,能满足扩频通信和图像加密等众多领域的应用需要.     

离散忆阻混沌系统的Simulink建模及其动力学特性分析

为拓广离散忆阻器的研究与应用,基于差分算子,构建了具有平方非线性的离散忆阻模型,并实现了Simulink仿真.仿真结果表明,设计的忆阻器满足广义忆阻定义.将得到的离散忆阻引入三维混沌映射中,设计了一种新型四维忆阻混沌映射,并建立了该混沌映射的Simulink模型.通过平衡点、分岔图、Lyapunov指数谱、复杂度、多稳态分析了系统复杂动力学特性.本文从系统建模角度出发,构建离散忆阻与离散忆阻混沌映射,进一步验证了离散忆阻的可实现性,为离散忆阻应用研究奠定了基础.     

忆阻混沌电路的分析与实现

具有记忆功能的忆阻器是除电阻器、电容器和电感器之外的第四种基本二端电路元件. 提出了由φ-q平面上的一条三次单调上升的非线性曲线来确定的光滑磁控忆阻器,它有着斜"8"字形的类紧磁滞回线的伏安特性曲线. 采用此忆阻器和负电导构成的有源忆阻器替换蔡氏混沌电路中的蔡氏二极管,导出了一个基于忆阻器的混沌振荡电路. 此外,利用常规的运算放大器和乘法器等元器件给出了有源忆阻器的等效电路实现形式. 理论分析、数值仿真和电路仿真结果一致,均表明忆阻混沌电路的动力学行为依赖于忆阻器的初始状态,在不同初始状态下存在混沌振荡、周期振荡或稳定的汇等不同的运行轨道. 关键词： 忆阻器 混沌电路 初始状态 等效电路     

改进型细胞神经网络实现的忆阻器混沌电路

在通用细胞神经网络单元的基础上,本文利用忆阻器本身的非线性实现了一种改进型细胞神经网络单元.通过连接4个改进的细胞神经网络单元导出了一种基于状态控制细胞神经网络的忆阻器混沌电路.为了验证该方法的正确性,采用通用的电子器件构建了一个忆阻器的模拟等效电路,并对提出的电路进行了实验分析.实验结果与数值仿真结果的一致性表明采用改进型的细胞神经网络可以有效地实现忆阻器混沌电路.     

忆阻器混沌电路产生的共存吸引子与Hopf分岔

利用荷控忆阻器和一个电感串联设计一种新型浮地忆阻混沌电路.用常规动力学分析方法研究该系统的基本动力学特性,发现系统可以产生一对关于原点对称的"心"型吸引子.将观察混沌吸引子时关注的电压、电流推广到功率和能量信号,观察到蝴蝶结型奇怪吸引子的产生.理论分析Hopf分岔行为并通过数值仿真进行验证,结果表明系统随电路参数变化能产生Hopf分岔、反倍周期分岔两种分岔行为.相对于其它忆阻混沌电路该电路采用的是一个浮地型忆阻器,并且在初始状态改变时,能产生共存吸引子和混沌吸引子与周期极限环共存现象.     

最简荷控型忆阻器混沌电路的设计及实现

利用惠普荷控型忆阻器、电感、电容和负电导串联设计了一类单回路忆阻器混沌电路.采用常规的动力学分析目的 研究系统的基本动力学特性,如平衡点稳定性分析、李雅普诺夫指数谱和分岔图等.数值仿真表明该系统在一个平衡点的情况下产生一类特殊的单涡卷混沌吸引子,且随系统参数的改变产生丰富复杂的混沌行为.为验证电路的正确性,利用Pspice进行相应电路仿真,仿真结果与理论分析、数值计算基本一致.     

忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络动力学分析及其电路实现

提出一种新型忆阻器模型, 利用标准非线性理论分析三个忆阻特性, 并设计模拟电路。基于忆阻突触, 构建一个忆阻突触耦合环形Hopfield神经网络模型。采用分岔图、李雅普诺夫指数谱、时序图等方法, 揭示与忆阻突触密切相关的特殊动力学行为。数值仿真表明: 在忆阻突触权重的影响下, 它能够产生多种对称簇发放电模式和复杂的混沌行为。实现了该忆阻环形神经网络的模拟等效电路, 并由PSIM电路仿真验证MATLAB数值仿真的正确性。     

Complex dynamic behaviors in hyperbolic-type memristor-based cellular neural network

This paper presents a new hyperbolic-type memristor model,whose frequency-dependent pinched hysteresis loops and equivalent circuit are tested by numerical simulations and analog integrated operational amplifier circuits.Based on the hyperbolic-type memristor model,we design a cellular neural network(CNN)with 3-neurons,whose characteristics are analyzed by bifurcations,basins of attraction,complexity analysis,and circuit simulations.We find that the memristive CNN can exhibit some complex dynamic behaviors,including multi-equilibrium points,state-dependent bifurcations,various coexisting chaotic and periodic attractors,and offset of the positions of attractors.By calculating the complexity of the memristor-based CNN system through the spectral entropy(SE)analysis,it can be seen that the complexity curve is consistent with the Lyapunov exponent spectrum,i.e.,when the system is in the chaotic state,its SE complexity is higher,while when the system is in the periodic state,its SE complexity is lower.Finally,the realizability and chaotic characteristics of the memristive CNN system are verified by an analog circuit simulation experiment.     

基于忆阻器的数模混合随机数发生器

数字方法实现的混沌随机数发生器存在有限字长效应, 无法保证随机数良好的统计特性. 本文构建了一类包含最少模拟器件的新数模混合系统, 分析了混合系统的非线性动力学行为. 利用现场可编程逻辑门阵列和一阶广义忆阻器实现了复杂混沌映射, 克服了有限字长效应, 构造了稳定的高速混沌随机数发生器, 可以产生100 Gbit/s以上速率的随机数. 研究表明, 数模混合系统的混沌性对元件参数变化不敏感. 混合系统易于集成在图像加密、保密通信和雷达波形设计等应用系统中.     

Extremely hidden multi-stability in a class of two-dimensional maps with a cosine memristor

We present a class of two-dimensional memristive maps with a cosine memristor. The memristive maps do not have any fixed points, so they belong to the category of nonlinear maps with hidden attractors. The rich dynamical behaviors of these maps are studied and investigated using different numerical tools, including phase portrait, basins of attraction, bifurcation diagram, and Lyapunov exponents. The two-parameter bifurcation analysis of the memristive map is carried out to reveal the bifurcation mechanism of its dynamical behaviors. Based on our extensive simulation studies, the proposed memristive maps can produce hidden periodic, chaotic, and hyper-chaotic attractors, exhibiting extremely hidden multi-stability, namely the coexistence of infinite hidden attractors, which was rarely observed in memristive maps. Potentially, this work can be used for some real applications in secure communication, such as data and image encryptions.     

五阶压控忆阻蔡氏混沌电路的双稳定性

通过在蔡氏电路的耦合电阻支路中串联一个电感,采用压控忆阻替换蔡氏电路中的蔡氏二极管,提出了一种新颖的五阶压控忆阻蔡氏混沌电路.建立该电路的数学模型,从理论上分析了平衡点及其稳定性的演化过程.特别地,该电路在给定参数下只有一个不稳定的零平衡点,却形成了混沌与周期的非对称吸引子共存的吸引盆,意味着双稳定性的存在.进而利用数值仿真与PSIM电路仿真着重研究了本文电路在不同初始状态下产生的双稳定性现象及其形成机理.PSIM电路仿真结果与数值仿真结果一致,较好地验证了理论分析.借助分岔图、李雅普诺夫指数、相轨图和吸引盆进一步深入探讨了归一化五阶压控忆阻蔡氏系统依赖于系统初始条件的动力学行为.结果表明,该忆阻蔡氏系统在不同的初始条件下能够呈现出混沌吸引子与周期极限环共存的双稳定性现象.     

基于Chua电路的四维超混沌忆阻电路

近年来,忆阻混沌电路受到国内外学者的广泛关注,然而目前四维忆阻系统往往只存在普通混沌(仅有一个正Lyapunov指数),本文通过用忆阻替换Chua电路中电阻的新途径,得出一个简单的四维忆阻电路,与仅含有限个孤立不稳定平衡点的大多已知系统不同,本系统存在无穷多个稳定和不稳定平衡点,研究发现该系统存在着极限环、混沌、超混沌等丰富的复杂行为,通过进一步数值分析和电路仿真实验,证实了超混沌吸引子的存在,从而解决了关于四维忆阻电路是否存在超混沌的疑问。     

Chaotic memristor

We suggest and experimentally demonstrate a chaotic memory resistor (memristor). The core of our approach is to use a resistive system whose equations of motion for its internal state variables are similar to those describing a particle in a multi-well potential. Using a memristor emulator, the chaotic memristor is realized and its chaotic properties are measured. A Poincaré plot showing chaos is presented for a simple nonautonomous circuit involving only a voltage source directly connected in series to a memristor and a standard resistor. We also explore theoretically some details of this system, plotting the attractor and calculating Lyapunov exponents. The multi-well potential used resembles that of many nanoscale memristive devices, suggesting the possibility of chaotic dynamics in other existing memristive systems.