22-10-2023
Цепь Чуа, схема Чуа — простейшая электрическая цепь, демонстрирующая режимы хаотических колебаний. Была предложена профессором Калифорнийского университета Леоном Чуа в 1983 году. Цепь состоит из двух конденсаторов, одной катушки индуктивности, линейного резистора и нелинейного резистора с отрицательным сопротивлением (обычно называемого диодом Чуа).
Уравнение цепи имеет вид:
где — кусочно-линейная функция, определенная как
Эта нелинейная функция представлена графически на рисунке 2: крутизна внутреннего и внешнего участков есть Ga и Gb, соответственно; при этом точки ±Е соответствуют изломам на графике.
Выполним следующие замены на безразмерные коэффициенты:
Основная система уравнений запишется в виде:
где
Цепь Чуа обнаруживает хаотические режимы колебаний в довольно узкой области параметров. Основные режимы колебаний условно показаны на рисунке 3.
В случае, когда параметры α и β принадлежат области, обозначенной на диаграмме цифрой 1 в системе существуют два устойчивых положения равновесия d и -d и одно неустойчивое, находящееся в начале координат 0. В этом случае цепь Чуа в зависимости от начальных условий будет стремиться к одному из двух устойчивых положений равновесия. В случае, когда параметры системы находятся в области помеченной цифрой 2 в окрестности точки равновесия d или -d существует устойчивый предельный цикл. По мере приближения к границе с хаотическим режимом, система претерпевает цикл удвоений периода вплоть до образования хаотического аттрактора Рёсслера. Приращение значений параметра перед наступлением каждой последующей бифуркации удвоения периода уменьшается согласно соотношению Фейгенбаума. При попадении параметров в область помеченную цифрой 6 образуется странный аттрактор (рисунок 4), называемый «двойной завиток» («double scroll»). При этом типе поведения траектория система проходит в окрестности и верхнего, и нижнего положения равновесия. Внутри области существования аттрактора «double scroll» также существуют окна периодичности, подобные тем, которые существовали в области аттрактора Рёсслера. Отличием их является то, что периодическая орбита в этом случае охватывает оба положения равновесия. Когда параметры α и β переходят в область, помеченную на рисунке 3 цифрой 11, в колебательной системе наблюдаются колебания неограниченно нарастающей амплитуды вне зависимости от начальных условий. Поскольку диод Чуа реализуется на операционных усилителях, он имеет ограниченный динамический диапазон и поэтому в системе существует также большой по размерам устойчивый предельный цикл, охватывающий все сегменты характеристики диода Чуа.
На рисунках 5 , 6 показаны временные зависимости колебаний, обнаруживаемых данной системой.
Термин «Осциллятор Чуа» используется для рассмотрения цепи Чуа с учётом активного сопротивления катушки индуктивности L. Данная схема имеет ещё большее число разнообразных режимов и может быть реализована практически (рисунок 7).
Принимая R0 — активное сопротивление катушки индуктивности L получим систему уравнений:
Лёгкость практической реализации, а также наличие относительно простой математической модели делает цепь Чуа удобной моделью при изучении теории хаоса.
Осциллятор Чуа.
