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时滞诱发的非线性动力系统多稳态运动及其吸引域特性

作　者: 尚慧琳
导　师: 徐鉴
学　校: 同济大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 时滞反馈吸引盆安全盆分形混沌神经元
分类号: O316
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

时滞常常引起系统动力学行为的定性改变,如影响系统稳定性,引起系统复杂性等。本文针对时滞这一特点详细研究了在几个典型系统中时滞引起的多稳态运动,及多稳态运动下的吸引盆问题。首先,分析了时滞对一个典型非线性自治系统动力学行为的影响规律。文章对一个Van der Pol-Duffing系统引入线性时滞位移反馈控制,通过运用多尺度法得到周期解的解析形式,并判断其稳定性。发现时滞能够引发系统多稳态运动共存现象。并数值地划分了时滞引起的系统多稳态运动的吸引盆。研究发现,时滞不仅可以改变平衡点的稳定性,还可以将不稳定的运动转化为稳态运动,和使系统产生复杂运动,如多稳态运动,概周期运动和混沌运动。其次,分析时滞对一个典型非线性非自治系统动力学行为的影响规律。文章主要研究线性时滞位移反馈对于一个有二次和三次非线性项的参振激励系统动力学行为的影响,构造了一种解析方法得到时滞引发的共振响应解的近似解,并确定了分叉解的分叉方向及稳定性,发现时滞引起系统多吸引子共存现象。从而绘制了时滞引起的多吸引子的吸引盆。结果表明,时滞可以改变平衡点的稳定性,将不稳定的运动转化为稳态运动,控制吸引盆边界分形,而且可使系统产生复杂运动,如概周期运动和混沌运动。利用时滞引起多解等复杂性这一特点,文章接下来运用三种时滞反馈(位移,速度和状态反馈)分别对一个典型参振激励系统安全盆侵蚀进行控制,并对比三种控制效果。反馈增益系数和时滞被作为控制参数来控制调节安全盆的侵蚀。研究发现在三类时滞反馈控制中,时滞和反馈均对影响安全盆边界有着重要作用。在负反馈的情况下,三类时滞反馈控制下时滞的增大都只能导致安全盆侵蚀的加剧。在正反馈的情况下,时滞能够被用来控制安全盆的侵蚀。在时滞位移反馈下时滞可以被当成影响系统安全盆的有效开关。而在时滞速度或状态反馈下,安全盆侵蚀能够随时滞的增大成功地抑制。相比之下,当时滞量较小时,时滞位移反馈控制下时滞对控制安全盆侵蚀的效果最好;但当时滞足够大时,时滞状态反馈下时滞对安全盆侵蚀的控制效果最好。在三类时滞反馈控制系统中,增益系数在影响安全盆面积和防止固定点的侵蚀方面也起了重要作用。每种反馈下,总有一个反馈增益的临界点,使得安全盆面积达到最大,一旦增益系数越过这个临界点,安全盆就被迅速侵蚀直至面积为零。另外还发现,当反馈增益系数越来越大时,这三类系统中参数激励对于安全盆的影响也越来越小。在三类时滞反馈中,当时滞和增益系数都较小时,时滞位移反馈是控制安全盆侵蚀和增大安全盆面积的最佳策略;但当时滞或增益足够大时,时滞状态反馈则成为控制安全盆侵蚀的最佳方法。最后,研究了时滞对于一类典型的时滞Hopfield神经网络系统平衡点吸引盆边界的影响规律。构造了一类两维多时滞Hopfield神经网络系统平衡点与时滞无关的渐进稳定的充分条件,并解析地对吸引子吸引域边界做出了估计,同时通过数值仿真比较验证。研究发现即使时滞不影响系统的动力学行为,仍会引起吸引域边界的变化。当系统存在自连接时,系统吸引域的边界随时滞的变化既不单调也不直观;自连接和他连接的时滞量严重影响吸引域边界,只有当他连接时滞非常小的时候理论预测与数值结果才比较接近;自连接和它连接时滞越大,数值与理论结果吻合的区域就越小。本文的创新点有:提出了时滞非线性系统吸引域向有限维欧式空间投影的概念;通过研究吸引域随时滞的变化规律,观察了时滞非线性系统的全局动力学行为,其中包括多吸引子共存,吸引域分形和混沌等复杂运动;提出及运用时滞反馈进行安全盆控制的手段和方法,结果发现时滞反馈可以实现对安全盆侵蚀的控制。本文研究发现时滞可以引起系统多吸引子共存,且能够改变吸引盆边界,甚至引起吸引盆拓扑形态的变化。利用这一特性,可以起到控制安全盆侵蚀,和优化吸引域从而按记忆要求设计网络的作用。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-30
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 时滞微分系统研究现状  14-24
    1.2.1 研究领域  15-22
      1.2.1.1 机械和控制领域  15-17
      1.2.1.2 生态学,生理学和神经网络  17-20
      1.2.1.3 通信和其他领域  20-22
    1.2.2 主要研究方法  22-24
  1.3 时滞动力系统中多吸引子  24-25
  1.4 时滞动力系统吸引域的研究进展  25-28
  1.5 课题的意义和本文主要研究内容  28-29
  1.6 本文的创新点  29-30
第2章基本理论  30-38
  2.1 分岔  30-32
    2.1.1 基本概念  30-31
    2.1.2 Hopf分岔  31-32
    2.1.3 余维数  32
  2.2 多尺度法  32-33
  2.3 规范型方法  33-34
  2.4 Poincare截面  34
  2.5 关于吸引子和吸引盆  34-35
  2.6 分形和分维数  35-38
第3章时滞导致的van der pol-duffing系统的多稳态解  38-50
  3.1 平衡点的稳定性  39-40
  3.2 周期解的理论近似解  40-42
  3.3 周期解的稳定性分析  42-44
  3.4 数值模拟  44-47
    3.4.1 算例1(γ>0)  45-47
    3.4.2 算例2(γ=0)  47
  3.5 小结  47-50
第4章时滞位移反馈诱发的单自由度参数激励系统的丰富动力学行为  50-63
  4.1 模型及稳定性分析  51-56
  4.2 时滞引起的全局动力学行为  56-61
    4.2.1 单平衡点系统(δ=3.1)  56-58
    4.2.2 三平衡点系统(δ=5)  58-61
  4.3 小结  61-63
第5章时滞反馈对于非线性参数激励系统安全盆的影响  63-93
  5.1 时滞对于系统安全盆的影响  66-83
    5.1.1 时滞位移反馈下时滞对于系统安全盆的影响  66-74
    5.1.2 时滞速度反馈下时滞对于系统安全盆的影响  74-78
    5.1.3 时滞状态反馈下时滞对于系统安全盆的影响  78-82
    5.1.4 三类时滞反馈下时滞对于系统安全盆影响的对比  82-83
  5.2 反馈增益系数对于系统安全盆的影响  83-91
    5.2.1 反馈增益系数对于系统安全盆面积的影响  83-86
    5.2.2 控制安全盆内固定点污染的时滞和反馈临界条件  86-91
  5.3 结论  91-93
第6章时滞Hopfield神经网络记忆模式和联想功能的初步研究  93-111
  6.1 模型  94-96
  6.2 平衡点及其稳定性  96
  6.2.1 平衡点个数  96-99
  6.2.2 平衡点稳定性分析  99-104
  6.3 系统吸引域边界分析  104-109
    6.3.1 解析估计  104-105
    6.3.2 数值模拟验证  105-109
  6.4 小结  109-111
第7章结论与展望  111-114
  7.1 结论  111-112
  7.2 进一步工作的方向  112-114
致谢  114-115
参考文献  115-127
攻读博士期间撰写或发表的论文  127

时滞诱发的非线性动力系统多稳态运动及其吸引域特性

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