混合时滞惯性神经网络的固定时间投影同步

王天奇 ,  胡军浩 ,  李燕

中南民族大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (03) : 407 -413.

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中南民族大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (03) : 407 -413. DOI: 10.20056/j.cnki.ZNMDZK.20250315
数学与统计学科学

混合时滞惯性神经网络的固定时间投影同步

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Fixed-time projective synchronization of inertial neural network with mixed time delays

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摘要

研究了一类带有混合时滞、状态切换连接权重、不连续激活函数的惯性神经网络的固定时间投影同步问题.利用非降阶法、不等式放缩技巧、微分包含理论和恰当的Lyapunov函数得到了此类系统固定时间投影同步判据.所构建的切换控制器有效解决了因系统跳变对同步研究带来的不确定性难题.最后,利用数值仿真验证本文结论的可靠性.

Abstract

The problem of fixed-time projective synchronization of inertial neural networks with mixed time delays, state-switching connection weights and discontinuous activation functions(DAFs) is studied. By using non-reduction method, inequality reduction technique, differential inclusion theory and appropriate Lyapunov function, the fixed-time projective synchronization criterion of such systems is obtained. The constructed switching controller can effectively solve the uncertainty problem caused by system hopping. Finally, the reliability of the conclusions is verified by numerical simulation.

Graphical abstract

关键词

惯性神经网络 / 固定时间投影同步 / 混合时滞 / 非降阶方法 / 切换控制器

Key words

inertial neural networks / fixed-time projective synchronization / mixed delays / non-reduction method / switching controller

引用本文

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王天奇,胡军浩,李燕. 混合时滞惯性神经网络的固定时间投影同步[J]. 中南民族大学学报(自然科学版), 2025, 44(03): 407-413 DOI:10.20056/j.cnki.ZNMDZK.20250315

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近些年来,人工神经网络在模式识别1、联想记忆2、信息处理3及图像加密4等领域得到广泛应用,而这些应用的前提是对神经网络的结构和动力学行为的深入研究,比如稳定性5、无源性6、耗散性7和同步8等.
同时,同步作为神经网络重要的动力学行为一直受到广大学者的广泛关注和持续研究,相关成果被陆续报道出来,如文献[9-13]. 值得指出的是,上述这些研究只关注完全同步. 事实上,驱动-响应系统按比例同步,即投影同步14,它可以提供更高的网络安全性和更快的传输速度. 近几年,投影同步逐渐开始受到研究者们的重视. 另外,以往研究的大多数神经网络模型是由一阶微分方程来描述的911,研究表明,一些生物神经元的轴突可以通过电感来模拟,这种加入了电感的神经网络模型称为惯性神经网络,其在图像处理、记忆的无序搜索等方面展现出巨大应用优势. 然而,因惯性项的存在,使得惯性神经网络更易产生不稳定的振荡、混沌等复杂的动力学响应,研究此类系统的稳定、同步等动力学行为将为其在工程应用方面奠定基础. 目前,关于惯性神经网络稳定、同步等的研究还有很多需要补充和完善的地方. 本文针对带分布时滞的依状态切换惯性神经网络,对其固定时间同步问题进行深入研究,所得结果将进一步丰富和发展惯性神经网络的理论体系.

1 本文模型

1.1 模型建立

考虑如下一类带分布式时滞的惯性神经网络模型:

d2(jk(t))dt2=-δkdjktdt-ϖkjktjkt+r=1Lιkr(jkt)Fr(jrt)+r=1LςkrjktFrjrt-τrt+
r=1Lοkrjktt-mrttFrjrtdt+Ik,kH,t0, 

式中:jk(t)代表k时刻的神经元状态;d2(jk(t))dt2是惯性项;δk>0表示自反馈常数;Fr()是不连续激活函数;τrtmrt分别为离散时滞和分布时滞,其中0τrtτr,0mrtmrIk代表外部输入;ϖkjkt,ιkrjkt,ςkrjkt,οkrjkt为状态切换连接权重,取值如下:

ϖkjkt=ϖk*,jktΓkϖk**,jkt>Γk,ιkrjkt=ιk*, jktΓkιk**,jkt>Γk,ςkrjkt=ςkr*,jktΓkςkr**,jkt>Γk,οkrjkt=οkr*,jktΓkοkr**,jkt>Γk,

这里,切换开关Γk>0,ϖk*>0,ϖk**>0,并且ιk*ιk**,ςkr*,ςkr**,οkr*,οkr**,k,rH都是常数.惯性神经网络(1)的初始位置为jks=ϕksjk.s=φks,kH,s-β,0,ϕks,φksC([-β,0],).

惯性神经网络(1)的响应系统如下:

d2(lk(t))dt2=-δkdlktdt-ϖklktlkt+r=1LιkrlktFrlrt+r=1LςkrlktFrlrt-τrt+
r=1Lοkrlktt-mrttFrlrtdt+Ik+uk(t),kH,t0,

这里,lk(t)代表k时刻的神经元状态,uk(t)代表控制器,其他系数与(1)式中相同.令惯性神经网络(3)的初始条件为:lks=χkslk.s=ψks,kH,s[-β,0],χks,ψksC([-β,0],).

1.2 基本假设

假设1 对于rH,Fr(.)C(\Q,),其中集合Q由有限个数的不连续点pqrr组成,其中qrN+,它具有右极限Fr(pqrr+)和左极限Fr(pqrr-).

假设2 对于rH,存在Mr>0,使得Fr(.)Mr,并且有:

suparKFr(),brKFr(±)|ar-br|Λr|-±|+Δr,这里,±,Λr0,Δr0,

KFr=minFr-,Fr+,maxFr-,Fr+,
KFr±=minFr±-,Fr±+,maxFr±-,Fr±+.

本文中,由于系统不连续,所以引入Filippov解.由微分包容理论,可得:

d2(jk(t))dt2+δkdjktdt-co[ϖkjkt]jkt+r=1Lco[ιkr(jkt)]K[Fr(jrt)]+r=1Lco[ςkrjkt]K[Frjrt-τrt]+r=1Lco[οkrjkt]t-mrttK[Frjrt]dt+Ik,kH,t0,

即,存在ΦrtKFr(jrt),ϖktcoϖk(jkt=coϖk*,ϖk**,ιkrtcoιkr(jkt=coιkr*,ιkr**ςkrtcoςkr(jkt=coςkr*,ςkr**,οkrtcoοkr(jk

t=coοkr*,οkr**.

对于任意的t0,有:

d2(jk(t))dt2+δkdjktdt-ϖktjkt+r=1Lιkr(t)Φrt+r=1LςkrtΦrt-τrt+r=1Lοkrtt-mrttΦrtdt+Ik,kH,t0,

这里,当Fr(jrtjrt处连续时,K[Frjrt]=Frjrt,coϖkjkt=ϖkjkt.

定义1 函数I˜t=(I˜1t,I˜2t,,I˜lt)T是惯性神经网络(1)的Filippov解,并且初始位置是Jks=ϕksJ˙s=φks,kH,s-β,0,且ϕksφksC(-β,0,).由于,L是紧区间,且L[0,+),那么绝对连续函数I˜t满足系统(4)和(5).

1.3 误差系统的表述和控制器的设计

Ekt表示误差系统,并且Ekt=lkt-ϱjkt,其中ϱ表示投影参数,ϱN+,kH,t0.因此,得到误差系统的表达式:

d2Ek(t)dt2=-δkdEktdt2-ϖklk(t)lkt+ϱϖkjktjkt+r=1LιkrlkFrlrt-ϱιkrjkFrjrt+r=1Lςkrlk(t)Frlrt-τr(t)-ϱςkrjktFrjrt-τrt+r=1L[οkrlktt-mrttFrlrtdt-ϱοkrjktt-mrttFrjrt]dt+1-ϱIkt+ukt,t0,kH,

杂合控制器ukt设计如下:

ukt=νkt+ωkt,

νkt是带有状态切换的杂合控制器:

νk(t)=r=1Lϱι*Frjrt-r=1Lι*Frϱ(jrt),jktΓk,lktΓk,r=1Lϱι**Frjrt-r=1Lι**Frϱ(jrt),jkt>Γk,lkt>Γk,r=1Lϱι*Frjrt-r=1Lι**Frϱ(jrt)+ϱ(ϖk**-ϖk*)jk(t),jktΓk,lkt>Γk,r=1Lϱι**Frjrt-r=1Lι*Frϱ(jrt)+ϱ(ϖk*-ϖk**)jk(t),jkt>Γk,lktΓk.
ωkt=-ξkEkt-ζkE˙kt-sign(E˙kt)[ρk+θkEktε+νkE˙ktε+γkEktτ+μkE˙ktτ],

这里0<ε<1,τ>1,同时ξk,ζk,θk,νk,γk,μk,ρk>0,kH.

注1 控制器(7)去掉了文献[11]中的限制条件,同时,还可以简化成如下形式:

ukt=ν^kt+ωkt,
ν^kt=ϱϖk**-ϖk*jkt,jktΓk,lkt>Γk,ϱϖk**-ϖk*jkt,jkt>Γk,lktΓk,

其中,ωkt保持不变.

1.4 投影同步的定义和引理

定义2 如果Τl*(0),j˜(0)>0成立,这里存在镇定时间Τmax>0,使得Τl*(0),j˜(0)Τmax,并且limtΤmaxl*t-ϱj˜(t)=0,其中:

l*t=l1t,l2t,llt,l1.t,l2.t,,ll.tT,
j˜t=j1t,j2t,jlt,j1.t,j2.t,,jl.tT,
lkt,lk.t,jkt,jk.t,kH,t0,

那么驱动系统(1)和响应系统(3)就称为固定时间投影同步.

引理114 下面的微分包含系统可以表示在杂合控制器ukt控制下的误差系统(6).

d2Ek(t)dt2+δkdEktdt2-co(ϖk*-ϖk**)Ekt+
r=1Lco(ιkr*,ιkr**)×KFrlrt-Frϱ(jrt)+
r=1Lco(ςkr*,ςkr**)×KFrlrt-τr(t)-Frϱ(jrt-τr(t))+
r=1Lco(οkr*,οkr**)×t-mrttK[Frlrt-Frϱ(jrt)]dt+K[ωkt],t0,kH.

引理215 假设V(.)C1(2d,[0,+))上径向无界,且VE˜t=0E˜t=0,并且系统(6)的解满足dV(E˜t)dt-ϵ+υVE˜t-VE˜tε-hVE˜tσ,那么驱动系统(1)和响应系统(3)达到固定时间投影同步,其中,h,υ,ϵ>0,0<ε<1,σ>1υ<min,h,E˜t=(E1t,E2t,,Elt,E1.tE2.t,,El.t)T.镇定时间的计算公式如下:

Τmax=2σ-1[(h-υ)1σ+ϵ1σ]1-σh-υ1σ(σ-1)+[-υ1ε+ϵ1ε]1-ε-ϵ1-εε-υ1ε(1-ε).

引理313 假设k1,k2,,kl0,s1>1,同时0<s2<1,那么:

n=1Lkns1L1-s1n=1Lkns1,n=1Lkns2n=1Lkns2.

引理416 假设C-正则函数Vl:2d,l(t)是一个绝对连续函数.对于[0,+)每一个紧区间L,都有Vl:2d是可微的,并且对于t[0,+),有:

dV(l(t))dt=Ttl˙t,tVlt.

2 驱动系统(1)和响应系统(3)的固定时间投影同步

本节给出了驱动系统(1)和响应系统(3)之间固定时间投影同步的结果.

定理1 若假设1和假设2成立,υ<min,hρk>r+2LMrmaxςkr+2LMrmaxokrmrt,那么驱动系统(1)和响应系统(3)在杂合控制器uk(t)的作用下达到固定时间投影同步,计算公式如下:

υ=min1kL1-δk-ζk,ϖkt+ξk+Λk,
=min1kLθk,νk,
h=(2L)1-τmin1kLγk,μk,
ϵ=k=1L(ρk-Δr-2LMrmaxςkr-2LMrmaxokrmr).

证明 定义一个C-正则函数:

Vt=k=1L(|E˙k(t)|+|Ekt|),

然后对该函数进行求导:

dVtdt=k=1LE˙k(t)ϕkt+E¨ktRkt=
k=1L{E˙k(t)ϕkt+(-δkdEktdt2-ϖklktlkt+ϱϖkjktjkt+
r=1LιkrlkFrlrt-ϱιkrjkFrjrt+
r=1LςkrlktFrlrt-τrt-ϱςkrjktFrjrt-τrt+
r=1Lt-mrttοkrtFrlrtdt-ϱt-mrttοkrtFrjrtdt+
1-ϱIktuktRkt} =
k=1L{E˙ktϕkt+Rk(t)(-δkdEktdt2-ϖk(t)Ekt+
r=1LιkrtFrlrt-ιkrtFrϱ(jrt)+
r=1LςkrtFrlrt-τrt-ϱFrjrt-τrt+
r=1Lοkrtt-mrttFrlrtdt-ϱt-mrttFrjrtdt+1-ϱIkt+ω˜k(t)}.

在杂合控制器(7)的作用下得到:

Kωkt=-ξkEkt-ζkE˙kt-cosignE˙ktρk+θkEktε+νkE˙ktε+γkEktτ+μkE˙ktτ,
ω˜kt=-ξkEkt-ζkE˙kt-Rktρk+θkEktε+νkE˙ktε+γkEktτ+μkE˙ktτ.

根据公式(17)和(18),有:

dVtdt=k=1L{E˙ktϕkt+Rkt[-δk+ζkE˙kt-ϖk+ξkEkt+
r=1LιkrtFrlrt-ιkrtFrϱ(jrt)+r=1LςkrtFrlrt-τrt-ϱFrjrt-τrt+
r=1Lοkrtt-mrttFrlrtdt-ϱt-mrttFrjrtdt+1-ϱIk-ρk-Ektεθk-νkE˙ktε-
-γkEktτ-μkE˙ktτ]}
k=1L{E˙kt1-δk-ζk+Ektϖkt+ξk+Λk+2LMrmaxςkr+
2LmaxοkrmrMr+Δr-ρk-θkEktε-νkE˙ktε-γkEktτ-μkE˙ktτ}
υk=1LEk.t+Ekt-k=1LEktεθk+νkE˙ktε+γkEktτ+μkE˙ktτ-ϵ
υk=1LEk.t+Ekt-θkk=1LEktε-νkk=1LE˙kt|ε-11-τγkk=1LEktτ-11-τ
μkk=1LEk.tτυVt-Vtε-hVtσ-ϵ.

此时,根据引理1可以得到驱动系统(1)和响应系统(3)在控制器(7)的作用下达到固定时间投影同步,另外,镇定时间是Τmax.

推论1 (1)当投影参数ϱ0,1,-1时,驱动系统(1)和响应系统(3)达到固定时间投影同步;

(2)当投影参数ϱ=1时,驱动系统(1)和响应系统(3)达到固定时间完全同步;

(3)当投影参数ϱ=-1时,驱动系统(1)和响应系统(3)达到固定时间反同步;

(4)当投影参数ϱ=0时,驱动系统(1)达到镇定.

注2 实际上,把ωk(t)替换成ωk*(t),也可以研究预设时间投影同步:

ωk*t=-ξkEkt-ζkEk.t-
ΤmaxΤpEktεθk+νkE˙ktε+γkEktτ+μkE˙ktτ+ϵk+ΤpΤmaxksignEk.t+
υ(ΤmaxΤp-1)[E˙kt+signEk.tEkt].

3 仿真模拟

例1 如下是二维惯性神经网络:

d2j1(t)dt=-0.8dj1tdt-ϖ1j1tj1t+k=12ι1rj1tFrjrt+k=12ς1rj1tFrjrt-τrt+k=12ο1rj1tt-mrttFrjrtdt,d2j2tdt=-1.4dj2tdt-ϖ2j2tj2t+k=12ι2rj2tFrjrt+k=12ς2rj2tFrjrt-τrt+k=12ο2rj2tt-mrttFrjrtdt.

系统(20)的不连续激活函数如下:

Frjrt=tanh jrt+0.03,jrt0,Frjrt=tanh jrt-0.04,jrt>0,r=1,2,

这里,τrt=1,mrt=et1+et.

相位图的初始位置为ϕ1s=-0.85,ϕ2s=0.7φ1s=0.9,φ2s=0.6,s-1,0,根据驱动系统(20),响应系统如下:

d2l1(t)dt=-0.8dl1tdt-ϖ1l1tl1t+k=12ι1rl1tFrlrt+k=12ς1rl1tFrlrt-τrt+k=12ο1rl1tt-mrttFrlrtdt+u1(t),d2l2tdt=-1.4dl2tdt-ϖ2l2tl2t+k=12ι2rl2tFrlrt+k=12ς2rl2tFrlrt-τrt+k=12ο2rl2tt-mrttFrlrtdt+u2t,

其中初始位置为:χ1s=-0.1,χ2s=-0.5,ψ1s=0.9,ψ2s=0.7,s-1,0.

根据不连续激活函数(21)可得Mr=1.04,Λk=1Δk=0.07,假设ε=0.5,τ=1.5,ξ1=180,ξ2=190,ζ1=ζ2=50,ο1=ο2=ν1=ν2=195,ϖ1=ϖ2=μ1=μ2=390,ρ1=10.986,ρ2=10.57. 计算后得υ=193.95,=h=194.35,ϵ=0.2,满足定理1的所有条件. 因此,惯性神经网络(20)和(22)在控制器(7)的作用下达到固定时间投影同步,镇定时间为Τmax=8.628. 表2给出了当k=1,2时驱动系统的参数. 图1~6为模型(20)与(22)在此参数下的仿真模拟结果.

4 结语

本文利用杂合控制器、微分包含理论、固定时间控制理论、不等式放缩技巧和非降阶法,选取恰当的Lyapunov函数、控制器增益研究了惯性神经网络的固定时间投影同步问题,获得相关判据,并给出模拟仿真例子有效证明结论的有效性. 本文所得结论丰富并简化了文献[8]的成果和控制器.

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