본 논문에서는 복잡한 하이퍼카오스 신호를 발생시키는 HVPM(Hyperchaotic Volume Preserving Maps) 모델을 이용한 카오스 동기화 알고리즘을 제안하고자 한다. 제안한 HVPM 모델은 3차원 이산시간(discrete-time) 연립 차분방정식으로 구성되어 있으며, 비선형 사상(maps)과 모듈러(modulus) 함수를 사용하여 랜덤한 카오스 어트랙터(attractor)를 발생시킨다. Pecora와 Caroll은 최근 카오스 시스템이 카오스 신호를 이용하여 동기화가 가능하다고 보고하였다. 따라서 본 논문에서는 하이퍼카오스 신호를 발생시키는 HVPM 모델간의 동기화를 위하여 결합동기(coupled synchronization) 알고리듬을 제안하였다. 모의실험에서 카오스 시스템과 하이퍼카오스 신호를 결합하여 카오스 동기화 현상을 확인할 수 있었다.
많은 자연계가 선형성과 비선형성을 동시에 포함한 카오스적인 모습을 보여준다 예를 들면 춤추는 불꽃, 부서지는 파도. 하늘에 떠다니는 무수한 구름 등 외관상으로는 불규칙해 보이는 듯 하면서 어떤 규칙성을 가진 다양한 모습을 나타낸다. 특히 공학분야에서는 거의 모든 현상이 비선형계로 이루어져 있다 이러한 비선형계의 해석에 카오스 이론이 적용될 수 있는데 최근 들어 카오스에 내재하는 질서구조가 밝혀짐에 따라 여러 공학분야에서 이를 활발히 응용하고 있다. 본 논문에서는 카오스 이론에 대해 간단히 논하고 이러한 카오스 이론이 응용될 수 있는 분야를 공학적 측면에서 일목요연하게 정리하였다. 특히 전력계통 및 송배전설비 분야 중 GIS 상태감시 및 부분방전 검출기법에 대해서 시계열 데이터를 이용한 카오스 이론의 적용 가능성을 타진하였다.
회전체 베이링 상태진단에 신뢰성을 갖기 위하여 여러 가지 진단 방법이 연구되고 있으며, 이때 이용하는 변수는 온도와 소음, 진동 그리고 윤활유가 있으며 분석 방법으로는 온도추이분석, 소음분석, 진동분석, 윤활제 분석방법이 주로 이용되고 있다. 본 연구에서는 압연기 베어링의 상태진단의 변수로 베어링의 진동 신호를 선택하고 이 진동신호에서 비선형성이 강한 신호 즉 카오스적 거동이 있음을 타켄스의 매립법과 포엔카레 단면을 이용하여 확인하였다.
사람의 감정 중의 하나인 사랑은 사회학과 심리학에서 주된 관심사로 연구되어 왔다. 기본적인 사랑 모델에서 비선형 특성을 찾기는 어렵다. 따라서 본 논문에서는 기본적인 사랑모델에서 비선형 거동을 찾기 위하여 기본적인 사랑 방정식에 외력을 주고 이때의 시계열과 위상 공간을 통하여 비선형 거동이 있음을 확인한다. 또한 이 비선형거동이 일반 카오스 발생현상인 주기배증과정, 카오스, 주기과정의 현상과 유사하게 유사한 주기 배증 과정, 카오스, 주기과정이 있음을 확인한다.
지난 50년에 걸쳐 카오스 이론은 수학, 물리학에서 관심을 가지고 연구하기 시작하여 공학, 사회과학 분야에까지 연구가 확장되어왔다. 최근에는 자연과학과 사회과학을 융합한 융합 연구 형태로 발전하고 있다. 이러한 융합의 연구는 중독문제, 인간의 행복문제, 가족들 사이에서 발생하는 문제, 남녀 간의 사랑 문제를 포함한다. 본 논문에서는 이러한 융합 연구의 하나인 사랑 모델을 기반으로 외부 환경을 고려하고, 이 외부 환경에 컬러 잡음을 반영하였을 때, 사랑 모델에서 카오스 패턴이 어떤 영향을 받는지를 시계열 데이터와 위상공간을 통하여 검증한다.
수문시계열 분석과 예측은 대부분 ARMA(AutoRegressive Moving Average) 형태의 선형적인 추계학적인 모형을 이용하였으나 자현현상이 복잡해지고 비선형적인 특성을 가짐에 따라 선형적인 해석은 수문시계열의 분석과 예측에 있어서 많은 오류를 내포하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 시도로 Chaos이론이란 개념이 사용되기 시작하였으며, 수자원분야에서는 1980년대 후반부터 물수지 방정식 및 강우유출에 대한 카오스적 특성분석 등 많은 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 영산강유역의 본류를 대표하는 나주지점을 대상으로 2003년 1월 1일 00시부터 2004년 12월 31일 23시까지 17,544개의 시수위 자료에 대하여 해당 년도의 Rating-Curve식을 적용 환산한 유출량자료에 데한 카오스적 특성을 분석하였다. 카오스적 특성을 분석하기에 앞서 원자료에 대하여 이동평균법과 Savitzky-Golay Filter를 적용하여 잡음을 제거하였으며, 1차원의 단일변량의 자료에 대한 상태공간(Phase Space)의 재건을 통하여 비교검토 하였다. 이러한 일련의 과정을 거친 자료에 대하여 상관차원법을 이용하여 영산강 유역의 나주지점의 시유출량 자료에 대한 카오스적 특성을 분석한 결과 저차원의 수렴으로 카오스 특성을 가졌다.
본 논문에서는 카오스 현상을 발생시키는 이산 로렌츠 시스템의 컴퓨터 모의 실험에 대한 방법을 제시하였다. 모의 실험에서의 카오스적인 움직임은 수치해석에 의해 예측된 결과와 일치하였다. 동기화된 카오스 시스템의 원리를 사용함으로써, 비화통신을 위한 접근 방법 로렌츠 방정식을 코딩한 송.수신기를 컴퓨터를 사용, 모의 실험함으로써 증명하였다. 송신기에서는 카오스 신호를 사용해서 보내고자 하는 메시지를 먼저 카오스 신호와 곱하고 다시 카오스 신호를 더해서 전송한다. 한편 수신기에서는 전송된 신호를 수신측 카오스 신호로 빼준 후에 다시 나누어서 전송된 메시지를 회복하는 방법을 사용하였다. 비선형 상태추정으로써 로렌츠 이산 카오스 동기 시스템의 견고성의 정도를 결정하기 위해서 샘플링 시간을 달리했으며, 이때 동기 오차와 그에 따른 송신신호와 수신신호와의 오차 값을 비교하여 성능을 평가하였다.
Chua 발진기는 카오스 어트렉터와 분기현상을 나타내는 가장 간단한 전자회로이다. Chua 발진기는 2개의 캐패시터, 1개의 인덕터, 2개의 선형 저항, 그리고 1개의 비선형 저항으로 구성된다. Chau 발진기가 카오스 신호를 나타내기 위해서는 비선형 저항이 6개의 다른 전압 전류의 특성을 가져야만 한다. 본 연구에서는 Chua 발진기에서 사용하는 다앙한 형태의 비선형 저항을 Op-Amp와 저항만을 사용하여 설계하는 방법으로 하드웨어로 제작하였으며, Chua 발진기 회로에 적용하여 다양한 형태의 카오스 어트렉터를 PSPICE로 구현하였다.
Chua 발진기의 카오스 신호를 선형 상태 피드백 제어 이론을 적용하여 평형점, 1주기, 2주기의 신호로 제어하는 방법을 제안하였다. 제안한 선형 상태 피드백 이득 값을 리아프노프 함수를 이용하여 Chua 오실레이터가 나타내는 모든 카오스 현상을 제어할 수 있도록 파라미터 부호의 조합에 의해 4가지로 분류하였다. 본 논문의 상태 피드백 제어 기법은 시스템의 카오스 상태에서 얻고자 하는 상태(평형점, 주기 신호등)로 효율적으로 제어 가능하고, 매우 간단한 구조로 파라미터의 변화 없이 최소의 입력으로 가능케 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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