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时空混沌和湍流可出现于各种非线性系统中,例如心脏组织、水动力学系统、等离子体系统、反应扩散系统和光学系统等。在许多实际情况下这样的行为被认为是有害的,例如,一个强的龙卷风对人类有极其大的危害;心室纤维性颤动能够引起心脏疾病。正是因为时空混沌的控制有实际的需要,多年来时空混沌控制吸引了科学家和工程师们极大的关注。
流体和磁约束等离子中的湍流本身就是一个复杂的时空混沌系统,人们相信,控制流动湍流可以借鉴时空混沌的控制思想和控制方法。迄今为止,时空混沌控制得到了广泛的研究,但是使用时空混沌控制方法(采用对动力学变量进行控制的方法)去直接控制流动湍流的工作才刚刚开始不久。最初人们利用在控制时空混沌中使用的全局和局域反馈钉扎控制方法去控制由二维Navier-Stokes方程(N-S方程)描述的湍流,结果表明湍流是可以被控制到人们想要的目标态的。为了提高控制效率(提高控制精度和速度),唐国宁等人提出了利用移动控制器和间歇反馈等方法去控制湍流,获得了好的控制结果,但是这些方法或多或少在实际运用上有些困难。鉴于湍流的复杂性,寻找适合不同要求的湍流控制方法仍需要解决。
在这篇硕士论文里,我们研究了在湍流控制中出现的控制效率、优化控制问题和磁约束等离子体中漂移波时空混沌的控制问题。我们提出了一些新的控制方法,取得了一些有趣的控制结果,并且讨论了这些控制方法的控制机制。论文内容安排如下:
第一章简要地介绍了基本的混沌现象、混沌控制方法、流动湍流、漂移波湍流等内容。
第二章我们研究了被二维Navier-Stokes方程描述的湍流的控制问题。通过使用模式选择控制方法,间歇地从控制信号中滤出一些小波数模式,我们成功的控制了湍流。数值结果表明:当我们适当选用控制参数时,这种方法能较大地提高控制精度。并且我们根据模式与模式的相互作用分析了这种方法的控制机制。
第三章我们研究漂移波(drift-wave)时空混沌的控制问题,所使用的模型是一维非线性受正弦波驱动的漂移波方程。我们提出用常电势信号去控制漂移波时空混沌,数值结果表明:当控制参数被适当选择时,常电势信号法能够很好的控制漂移波时空混沌。我们通过建立系统能量演化方程,我们从理论上发现:当控制被实施时,在能量方程中出现一个附加驱动项,当控制强度足够大时,这个附加驱动项能导致锁频现象的出现,使漂移波时空混沌得到有效抑制,这个控制机制能很好地帮助人们去正确认识带状剪切流如何产生相干结构。
第四章我们基于蜂拥控制算法思想研究了一维漂移波的时空混沌控制问题,提出了一种耦合反馈控制方法。数值研究表明:不论选择真实领导者还是选择虚拟领导者为控制的目标态,只要适当选择控制强度,漂移波时空混沌都能被控制到有序的态。并且根据空间电势的关联阐述了控制机制。文章的结尾部分我们指明了下一步的工作及展望。