分数阶混沌系统同步控制策略及其在保密通信中的应用研究
随着科技的不断发展，信息安全事件的频发引发了大众对于保密通信技术的重点关注。传统通信方式存在保密性漏洞、容量限制、攻击保护低效、设备成本高等问题。而混沌系统具有高度的随机性、非周期性和不可预测性，新型混沌通信系统具备高容量的动态存储能力及相对较低的设备成本，显示出了明显的技术优势和广阔的应用前景。本文针对几类分数阶混沌系统，设计了新型完全同步及广义同步控制策略，并对其进行了保密通信应用研究，主要工作如下： 首先，基于对陀螺仪系统的各类滑模同步控制的分析，针对含外部扰动的n维分数阶非自治混沌系统设计了改进型自适应非奇异终端滑模同步控制策略以实现完全同步。对研究对象陀螺仪系统进行动力学建模并完成了对陀螺仪系统的各类滑模变结构同步控制，包括自适应终端滑模同步控制、自适应快速非奇异终端滑模同步控制及分数阶比例微分滑模同步控制。接着，设计了一类改进型自适应分数阶非奇异终端滑模同步控制策略（FONTSMC），并进行了稳定性分析。在外部扰动下，选取了二维分数阶Duffing振子系统及三维分数阶Genesio-Tesi系统分别进行仿真，将其与分数阶PID控制器，分数阶PD滑模控制器及自适应终端滑模控制器进行方法对比，相比于现有的同步控制方法来说，具有更高的误差精度和更快的收敛速度，且控制较为平滑。 其次，针对四维超混沌分数阶Rabinovich系统，利用主动控制法实现了广义同步，进而针对时延分数阶混沌系统，设计了基于分数阶扩张状态观测器的滞后广义同步控制策略以实现广义同步。分析了最新的四维超混沌分数阶Rabinovich系统特征，基于系统分析运用主动控制法完成了广义同步控制策略设计。为了提升主动控制法性能，本部分针对时延分数阶混沌系统，在传输延时存在的情况下，设计了一类新型的基于分数阶扩张状态观测器（FOESO）的滞后广义同步控制策略，完成了混沌系统的有效同步，对系统未知动力学进行了有效估计，并可拓展至各类型同步状态及其他复杂分数阶混沌系统的同步控制中。基于所设计的滞后广义同步控制策略，选取了同结构分数阶时延混沌系统和含外部扰动的异结构分数阶时延混沌系统分别进行仿真验证，并通过与主动控制法的对比验证了所设计的新型滞后广义同步控制策略的有效性。相比现有的方法，避免了动力学误差的繁琐计算，面对外部扰动时仍保证良好的同步性能、抗干扰性能和较快的响应速度。 然后，现有混沌同步主要针对的是两个分数阶混沌系统的同步行为，本部分针对多个时延分数阶混沌系统设计了切换广义同步控制策略。考虑到分数阶次和时延对混沌行为的影响，对分数阶时延金融系统、分数阶时延Chen系统及分数阶时延Liu系统进行系统分析，选取适用的分数阶次和时延，基于开关位、比例因子和投影系数设计，针对三个异结构混沌系统设计了切换广义同步控制方案，并通过Matlab仿真验证该切换广义同步控制策略的有效性。 最后，基于所完成的新型分数阶混沌系统完全同步控制，设计了双通道三次加密混沌通信方案。所设计的通信方案包含两个信道，一个信道用于驱动系统和响应系统的同步，另一个信道用于有用信息的传输。在发送端，利用分数阶混沌系统的状态信息和设计的密钥对有用信息源进行三次信号调制，在接收端通过协议密码及混沌同步所得的分数阶系统状态信息进行解密。相比现有的通信策略，提升了信号调制过程中的保密性。利用所完成的分数阶Genesio-Tesi系统的完全同步进行信号加密，并通过Matlab软件仿真验证了所设计的双通道三次加密混沌通信方案的有效性。
分数阶混沌系统;完全同步;广义同步;滑模变结构控制;分数阶观测器;保密通信
南京理工大学
硕士
控制理论与控制工程
王浩平
2019
中文
O415.5
2021-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）