【非線性系統(tǒng)的混沌現(xiàn)象】非線性混沌現(xiàn)象的研究

　　摘要:文章分析了具有混沌動力學(xué)特征的非線性三階自治電路,給出了混沌電路中非線性電阻的構(gòu)造方法, 使用EWB軟件對混沌電路進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,通過實(shí)際硬件電路板測試得到混沌吸引子、倍周期分岔、周期性窗口等預(yù)期分析結(jié)果,此結(jié)果對深入研究混沌理論及混沌的同步和控制有積極借鑒作用。
　　關(guān)鍵詞:非線性;混沌;吸引子;倍周期分岔;周期性窗口
　　中圖分類號:TP271.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
　　
　　1 引言
　　
　　非線性系統(tǒng)的性能是復(fù)雜多變的。長期以來,人們對非線性電路中的平衡狀態(tài)和周期振蕩狀態(tài)研究較為充分,取得了許多有用的結(jié)果。直到40多年前的一次重要模擬結(jié)果出現(xiàn)后,使非線性領(lǐng)域的研究進(jìn)入了新紀(jì)元。1963年,美國麻省理工學(xué)院著名的氣象學(xué)家洛倫茲(E.N. Lorenz)在研究一個(gè)氣象學(xué)模型時(shí),發(fā)現(xiàn)了異常的情況。洛倫茲經(jīng)過長時(shí)間反復(fù)地在計(jì)算機(jī)上試驗(yàn),其結(jié)果都是一樣與經(jīng)典認(rèn)識不同。它的特點(diǎn)是響應(yīng)一直出現(xiàn)類似隨機(jī)的振蕩,狀態(tài)軌跡在一個(gè)區(qū)域內(nèi)永不重復(fù)地運(yùn)動著,這一現(xiàn)象后來被稱之為混沌[1] [2]。
　　混沌是非線性動力系統(tǒng)在一定參數(shù)條件下產(chǎn)生的對初始條件具有敏感依賴性的隨機(jī)運(yùn)動�；煦邕\(yùn)動的根本原因是運(yùn)動方程的非線性;混沌運(yùn)動具有內(nèi)在隨機(jī)性,對初值非常敏感,若兩次運(yùn)動的初值有微小差別,長時(shí)間后兩次運(yùn)動會出現(xiàn)較大的、無法預(yù)知的偏差�；煦绗F(xiàn)象是自然界的普遍現(xiàn)象,也是非線性系統(tǒng)所特有的復(fù)雜狀態(tài)。
　　
　　2 混沌電路?
　　
　　2.1 電路理論分析
　　混沌現(xiàn)象在非線性電路中也普遍存在,電路呈現(xiàn)混沌現(xiàn)象,原則上應(yīng)考慮兩個(gè)條件[3] [4]:
　　(1)二階或二階以上的強(qiáng)制系統(tǒng);三階或三階以上的自治系統(tǒng);
　　(2)至少有一個(gè)非線性器件。
　　圖1所示的三階自治電路由四個(gè)線性元件(兩個(gè)電容、一個(gè)電感、一個(gè)線性電阻)和一個(gè)非線性電阻所組成。
　　
　　2.2 構(gòu)造非線性電阻電路
　　非線性電阻的部分可以用運(yùn)算放大器做成負(fù)阻抗電路,且當(dāng) 大于某一電壓值時(shí),運(yùn)算放大器開始飽和,將兩個(gè)這樣的運(yùn)算放大器并聯(lián),就可以得到伏安曲線為圖2的非線性電阻,完成的電路如圖3所示。
　　
　　3 EWB仿真分析
　　
　　用EWB(Electronics Workbench)軟件對圖3電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真分析。這里取C1=0.3474uF,C2=0.0155uF,L1=11.0534mH,R1=13.9596Ω,R2=218Ω, R3=374.1Ω, R4=2.19kΩ, R5=3.0811kΩ, R6=18.596kΩ, R7=21.7kΩ,代入非線性電阻的分段線性特性方程中。通過改變不同的W1的值,可得不同的狀態(tài)軌跡, W1=1.14kΩ處的狀態(tài)軌跡如圖4所示,C2、C1兩端的電壓時(shí)域波形分別如圖5、圖6所示。
　　結(jié)果顯示,電路中電容電壓和電感電流出現(xiàn)類似噪聲的無規(guī)則振蕩,它是一種有界的穩(wěn)態(tài)過程,其狀態(tài)平面上的軌跡按某種內(nèi)在規(guī)律永不重復(fù)地穿來穿去,這種類似“蝴蝶”形狀的圖形稱為混沌吸引子�；煦缥�引子又稱奇怪吸引子,它是混沌運(yùn)動中特有的,具有復(fù)雜的拉伸、折疊和伸縮的結(jié)構(gòu),使得按指數(shù)規(guī)律發(fā)散的系統(tǒng)保持在有限的空間內(nèi),即一切位于吸引子之外的運(yùn)動都向吸引子靠攏,對應(yīng)著穩(wěn)定的方向;而一切到達(dá)吸引子內(nèi)部的運(yùn)動都相互排斥,對應(yīng)著不穩(wěn)定的方向。
　　在計(jì)算機(jī)模擬分析時(shí),如果改變一下初始狀態(tài),其響應(yīng)將發(fā)生重大變化,這是因?yàn)榛煦邕\(yùn)動對初始狀態(tài)非常敏感。
　　
　　4 硬件電路調(diào)試
　　
　　按圖3電路制成印刷電路板,考慮到元器件參數(shù)的標(biāo)稱值,實(shí)際電路中取C1=0.33uF,C2=0.015uF,L1=10mH,R1=5.1Ω,R2=220Ω, R3=390Ω, R4=2.2kΩ, R5=3kΩ, R6=18kΩ, R7=22kΩ,固定電壓正負(fù)5V。將輸出端信號S2-OUT、S1-OUT分別接到示波器的CH1、CH2探頭,工作方式選擇X-Y方式。將W1調(diào)到最小,示波器屏上可觀察到一條直線,調(diào)節(jié)W1,直線變成橢圓,到某一位置,增大示波器的倍率,反向微調(diào)W1,可見曲線開始作倍周期變化,曲線由一周期增至二周期,由二周期增至四周期,……,直至一系列難以計(jì)數(shù)的無首尾的環(huán)狀曲線,這是一個(gè)單渦旋吸引子集。繼續(xù)微調(diào)W1,單吸引子突然變成了雙吸引子,只見環(huán)狀曲線在兩個(gè)向外渦旋的吸引子之間不斷填充與跳躍,這就是混沌吸引子,它的特點(diǎn)是整體上的穩(wěn)定性和局部上的不穩(wěn)定性同時(shí)存在。微調(diào)W1使其在1.1kΩ左右時(shí),電路進(jìn)入混沌狀態(tài),用示波器觀察到的實(shí)際特性與計(jì)算機(jī)分析的結(jié)果非常接近。
　　利用這個(gè)電路,還可以觀察到周期性窗口。仔細(xì)調(diào)節(jié)W1,原先的混沌吸引子突然出現(xiàn)了一個(gè)三周期圖像,繼續(xù)微調(diào)W1,又出現(xiàn)了混沌吸引子,這一現(xiàn)象稱為出現(xiàn)了周期性窗口。
　　以上結(jié)果表明,在非線性電路中出現(xiàn)這種特性的混沌振蕩具有深刻的理論價(jià)值,它改變了人們許多傳統(tǒng)認(rèn)識。經(jīng)典理論主要是以線性、對稱、可逆、有序、穩(wěn)定為基礎(chǔ),產(chǎn)生了非常規(guī)律性的結(jié)果。而現(xiàn)代理論卻以非線性、非對稱、不可逆、無序、不穩(wěn)定為特征,演化出了非常奇特的運(yùn)動機(jī)理,混沌就是這類典型代表。
　　
　　5 結(jié)束語
　　
　　混沌現(xiàn)象不僅存在于電路中,在地震、氣象、機(jī)械、化學(xué)、控制、生理等領(lǐng)域中都會出現(xiàn),混沌現(xiàn)象的研究和應(yīng)用已經(jīng)形成了一門新的科學(xué),研究涉及的領(lǐng)域包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及工程技術(shù)的眾多學(xué)科,并且對這些學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。混沌包含的物理內(nèi)容非常廣泛,研究這些內(nèi)容更需要深入的數(shù)學(xué)理論,如微分動力學(xué)理論、拓?fù)鋵W(xué)、分形幾何學(xué)等等。目前混沌的研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向多維動力學(xué)系統(tǒng)中的混沌、量子及時(shí)空混沌、混沌的同步及控制等方面。?
　　
　　參考文獻(xiàn)?
　　[1]E.N.洛倫茲. 混沌的本質(zhì)[M]. 北京: 氣象出版社, 1997.?
　　[2]詹姆斯•格萊克. 混沌開創(chuàng)新科學(xué)[M]. 上海: 上海譯文出版社, 1990.?
　　[3]高金峰. 非線性電路與混沌[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.?
　　[4]王興元. 復(fù)雜非線性系統(tǒng)中的混沌[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.?

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