复杂网络的参量辨识与时空混沌同步研究

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自从Watts和Barabasi等人提出著名的小世界网络以及无标度网络模型,并对其特性进行了深入的研究以来,随着计算机以及信息技术的迅猛发展,人类社会逐步进入了网络时代。迄今,复杂网络的相关研究已经渗透到信息通信、数学、物理学、生物学、计算机科学乃至社会科学等众多不同的领域,成为科学研究中一个极其重要的挑战性课题。目前,复杂网络的相关研究主要集中在三个方面。其一是复杂网络的建模。其二是复杂网络结构特性的研究。第三方面是复杂网络动力学研究。其中复杂网络的混沌同步以其理论研究的前瞻性以及实际应用的广泛性而成为网络动力学研究的一个核心和热点问题,也是目前网络动力学研究成果最为集中的方向。本文主要进行了复杂网络的参量辨识与时空混沌同步研究,其主要内容包括:1.提出了一种不确定离散型时空混沌系统构成单向星形网络的参量辨识与同步方法。基于Lyapunov定理,通过确定参量辨识律中的待定函数的形式以及调节参量的取值范围,同时完成了整个网络的完全同步以及网络所有节点时空混沌系统中未知参量的有效辨识。2.将Milosavljevic用于控制单独一个离散型线性时间系统而设计的控制律推广到N个离散型时空混沌系统构成的复杂网络的参量辨识与混沌同步研究中。利用推广的控制律设计了参量辨识器,对全局耦合网络节点时空混沌系统中的未知参量进行了有效辨识,并完成了该网络的完全同步。这种方法的优势在于利用推广后的控制律设计的参量辨识器只需要在网络连接前利用单个节点状态方程中的状态变量信号即可构造,大大方便了理论设计和实际应用。3.研究了参量未知的连续型时空混沌系统(偏微分方程)构成复杂网络的参量辨识与同步问题。利用未知参量所在系统自身的状态变量信号构造了参量辨识器,对系统中的未知参量进行了有效辨识。以连续型时空混沌系统作为网络的节点,通过非线性耦合使所有节点的时空混沌系统建立关联。基于Lyapunov定理,确定了复杂网络中连接节点之间的耦合函数的结构以及控制增益的取值范围。研究发现控制增益在某一区域内时,整个网络存在稳定的混沌同步现象。4.提出了一种实现节点结构互异的加权网络的混沌广义同步方法。以异结构混沌系统作为节点构造复杂网络,利用混沌系统本身的非线性项作为耦合函数,通过加权连接使所有节点建立关联。基于Lyapunov定理,确定了复杂网络中连接节点之间的耦合函数的结构。研究结果表明,任取网络节点之间耦合强度的权重值,均可以使整个节点结构互异的加权网络实现广义同步。此方法不但可以实现节点结构互异的加权网络的混沌广义同步,而且节点之间耦合强度的权重值以及网络规模对整个复杂网络同步的稳定性均无影响。此方法对网络节点是时间混沌系统和时空混沌系统均适用。5.研究了有界噪声影响下网络的同步性能。基于对网络的稳定性分析,获得了同步状态附近的变分方程,通过对其进行Jordan标准型变换,得到了实现整个网络时空混沌同步的条件。进一步通过仿真网络的最大Lyapunov指数在有噪声时的变化情况来研究有界噪声作用下网络的同步性能,发现它具有较强的抗干扰能力。6.提出了一种利用网络信号同步传输技术消除螺旋波和时空混沌的方法。依据稳定性理论确定了网络误差变量随时空的演化方程以及相应的本征值方程,从而得到了网络完全同步的条件。研究结果表明,在网络的任意一个节点输入给定的任意类型的外部信号,当网络达到同步时,网络中所有节点均同步于这个外部信号,即给定的外部信号得到了同步传输,从而可以有效地同时抑制多个系统的螺旋波和时空混沌。
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