一個(gè)新混沌系統(tǒng)的同步控制及其在保密通信中的應(yīng)用

梅小華

(河西學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，甘肅張掖 734000)

這里，控制輸入選擇為，

0 引言

自1990年，Grebogi等提出OGY混沌控制法，以及Pecora等提出完全同步以來［1］，研究人員對(duì)混沌系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)更加深入，混沌同步已經(jīng)成為非線性科學(xué)理論及應(yīng)用的重要組成部分及混沌研究的熱點(diǎn)問題.到目前為止，學(xué)者們已經(jīng)提出很多實(shí)現(xiàn)混沌同步的方法，例如，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)同步法、線性反饋同步法、自適應(yīng)控制同步法［2－5］等.本文研究了一類新混沌系統(tǒng)的同步問題，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，利用激活控制法以及參數(shù)未知時(shí)自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自同步，同時(shí)，本文利用歸納、推論和定理，以及仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了這些結(jié)論的正確性，最后，采用自適應(yīng)混沌同步方法進(jìn)行保密通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用混沌掩蓋可以有效地恢復(fù)出信息信號(hào).本方法易于實(shí)現(xiàn)，收斂速度快，并且可以推廣到其他類似系統(tǒng).

1 一個(gè)新混沌系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在文獻(xiàn)［6］中，馬海軍等通過對(duì)分岔混沌拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與全局復(fù)雜性的研究，建立了一個(gè)混沌系統(tǒng)，

當(dāng)該系統(tǒng)取參數(shù)，a=0.9，b=0.2，c=1.2，初始條件為［2，1，2］時(shí)，利用Matlab可得到混沌系統(tǒng)(1)的三維相圖如圖1所示.

圖1 混沌系統(tǒng)(1)的三維相圖

2 參數(shù)不確定時(shí)混沌系統(tǒng)的同步

在實(shí)際中，許多動(dòng)力系統(tǒng)具有參數(shù)或模型的不確定性，尤其隨著環(huán)境的改變，系統(tǒng)的參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化.比如，在通信系統(tǒng)中，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同的混沌同步通信是不現(xiàn)實(shí)的.因此，對(duì)參數(shù)未知的不確定的混沌系統(tǒng)的同步研究具有重要的實(shí)際意義，這個(gè)時(shí)候可以利用自適應(yīng)同步方法實(shí)現(xiàn)混沌同步.設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為混沌系統(tǒng)(1)，則其響應(yīng)系統(tǒng)為，

設(shè)狀態(tài)誤差和參數(shù)誤差為，

其中，a1，b1，c1是對(duì)a，b，c的估計(jì)，則系統(tǒng)誤差為，

構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)，

則，

選擇如下控制器，

此時(shí)，

當(dāng)參數(shù)a，b，c都大于等于零時(shí)，V·為負(fù)定，根據(jù)Barbalat引理，知，

即驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到同步效果.因此，對(duì)任何的初始狀態(tài)，選擇自適應(yīng)控制器(4)和自適應(yīng)律(5)，可以使得響應(yīng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到同步，于是，得到如下定理.

定理1 對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(2)，如果參數(shù)自適應(yīng)律選擇(5)，反饋控制器選擇(4)，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和響應(yīng)系統(tǒng)將達(dá)到全局漸進(jìn)同步.

3 基于激活控制的混沌同步

設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為混沌系統(tǒng)(1)，響應(yīng)系統(tǒng)為，

設(shè)，

則系統(tǒng)誤差為，

定義激活控制函數(shù)，U=(u1，u2，u3)T，為，

這里，控制輸入選擇為，

此時(shí)，閉環(huán)的特征根為:-1，-1，-1.于是，當(dāng)t→∞時(shí)，‖e1‖→0，‖e2‖→0，‖e3‖→0，意味著驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)混沌同步，于是，可得到如下的定理.

定理2 對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(6)，如果系統(tǒng)的激活控制器取(8)，控制輸入取(9)，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和響應(yīng)系統(tǒng)(6)可以實(shí)現(xiàn)全局漸進(jìn)同步.

4 數(shù)值模擬結(jié)果

為了驗(yàn)證我們所設(shè)計(jì)的混沌控制器的有效性，本文采用四階龍格—庫塔方法進(jìn)行仿真.

例1 取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)的初值為(0.7，0.5，0.8)，響應(yīng)系統(tǒng)(2)的初值為(0.6，0.3，0.5)，參數(shù)取，a=0.9，b=0.2，c=1.2.誤差時(shí)序圖的仿真結(jié)果如圖2所示.

圖2 自適應(yīng)同步的同步誤差

由圖2可知，雖然驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)和系統(tǒng)(2)的初值不同，但還是很快實(shí)現(xiàn)了該混沌系統(tǒng)的自同步.圖3表示的是參數(shù)的估計(jì)隨時(shí)間變化的曲線圖，可以看出，隨著時(shí)間的變化參數(shù)收斂到真值.

圖3 參數(shù)的的估計(jì)

例2 取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(1)的初值為(-0.07，0.55，0.18)，響應(yīng)系統(tǒng)(6)的初值為(0.46，0.43，0.75)，參數(shù)取，a=0.9，b=0.2，c=1.2.誤差e1、e2、e3時(shí)序圖的仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 激活控制同步的同步誤差

由圖4可知，雖然驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和(1)響應(yīng)系統(tǒng)(6)的初值不同，但仍然很快實(shí)現(xiàn)了該混沌系統(tǒng)的自同步.顯然，這種方法具有很大的局限性.

5 利用自適應(yīng)同步控制實(shí)現(xiàn)保密通信

近年來，混沌同步保密通信已成為科研人員研究的一大熱點(diǎn).混沌掩蓋通信系統(tǒng)的工作原理如圖5所示，其基本原理是:發(fā)送端的混沌系統(tǒng)輸出類似噪聲的混沌信號(hào)，在混沌信號(hào)上疊加需要掩蓋的有用信號(hào)，將合成信號(hào)通過信道發(fā)送出去;在接收端與發(fā)送端混沌系統(tǒng)達(dá)到同步后，從接收端的混合信號(hào)中減去重構(gòu)的混沌信號(hào)，從而解調(diào)出發(fā)送端的有用信息.在圖5中，x(t)為發(fā)送系統(tǒng)的狀態(tài)變量，m(t)為要傳送的信息信號(hào)，s(t)為混沌掩蓋后的傳輸信號(hào)，x′(t)為接收系統(tǒng)的狀態(tài)變量，m′(t)為接收端恢復(fù)的信息信號(hào).

圖5 混沌同步保密通信示意圖

根據(jù)混沌掩蓋保密通信原理，可將自適應(yīng)同步的混沌系統(tǒng)應(yīng)用于保密通信中.設(shè)需要傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)是m(t)=sint，則在發(fā)送端將有用信號(hào)與混沌信號(hào)x(t)相加，輸出類噪聲信號(hào)，s(t)=sint+ x(t)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為(1)，響應(yīng)系統(tǒng)為混沌系統(tǒng)(2).響應(yīng)系統(tǒng)(2)通過控制器(4)可在接收端接收混沌信號(hào)x′(t)，只需從s(t)中減去受控系統(tǒng)中產(chǎn)生的混沌信號(hào)x′(t)，就可以獲得還原的有用信號(hào)，m′(t) =s(t)-x′(t).原始信號(hào)與還原信號(hào)的信號(hào)誤差為，e(t)=m(t)-m′(t).原始有用信號(hào)如圖6所示，通過混沌保密系統(tǒng)后恢復(fù)出的信號(hào)如圖7所示，傳輸過程如圖8所示.顯然，經(jīng)過較短時(shí)間后，有用信號(hào)與解調(diào)出來的信號(hào)的誤差幾乎為0.另外，利用自適應(yīng)控制方法響應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)還可以是未知的，可見這種方法應(yīng)用于保密通信的有效性.

6 結(jié) 語

本文研究了一類新混沌系統(tǒng)的同步問題，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，利用參數(shù)未知時(shí)自適應(yīng)控制方法構(gòu)造非線性控制器以及激活控制實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自同步，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性.最后，采用自適應(yīng)混沌同步方法進(jìn)行保密通信實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用混沌掩蓋可以有效地恢復(fù)出信息信號(hào).此外，在參數(shù)不確定的條件下，自適應(yīng)同步法可同時(shí)完成混沌系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)和同步，這種方法用于保密通信具有更高的保密效果.

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