[发明专利]强化化学振荡反应过程的混合调控方法

说明书

技术领域

本发明属于非线性化学领域，涉及一种强化化学振荡反应过程的方法。

背景技术

一般的化学反应，反应物和产物的浓度单调地发生变化，最终达到不随时间变化的平衡状态。然而在某些反应体系中，有些组分的浓度会忽高忽低，呈现周期性变化，这种现象称为化学振荡。自19世界60年代前苏联科学家Belousov和Zhabotinskii发现化学反应中的振荡现象以及70年代建立起描述这种现象的第一个模型Oreganator模型以来，化学反应系统中出现的非线性现象如多重定态、振荡、混沌和化学波引起了科学家们的广泛关注。后来，Brussele学校的学者经过仔细研究给出了著名的化学振荡反应，即布鲁塞尔振子(Brusselator)。近几十年，学者们不仅对Belousov和Zhabotinskii发现的化学振荡反应和Brusselator进行了深入的研究，也提出了各种各样的化学振荡过程。

化学振荡反应是具有非线性动力学微分速率方程，在开放体系中进行的远离平衡的一类反应。体系与外界环境交换物质和能量的同时，通过采用适当的有序结构状态耗散环境传来的物质和能量。这类反应与通常的化学反应不同，它并非总是趋向于平衡态。对于一个特定的化学振荡反应，如果保持温度、反应物初始浓度等外界条件不变，则在一定的时间内，它的振荡周期和振幅是恒定的；如果在振荡期间对该过程进行调控则会导致振荡周期和振幅发生变化，甚至导致振荡区间的变化。目前已将化学振荡的这种性质应用于分析、检测化学样品等。

随着科技的进步，各种传输、反应等过程的复杂度越来越高，随之而来的是过程中的可靠性问题，混合调控技术目前已成为保障这些过程的安全可靠运行的重要手段。信号传输是一个需要调控的过程，关系着信号接收的正确性与可靠性。目前已有很多的技术与方法应用于弱信号处理，但是这些知识不仅不能充分体现信号的真实内容，并且还往往带有主观性。文献《Design and implementation of a hybrid control strategy》中提出的模糊调控的方法适用于弱化一些干扰，比如弱化网络传输过程中的不稳定性，同时该方法还可以延迟或消除分岔等动力学现象的出现。作者在文章中详细介绍了调控技术的方法步骤，很多人对此方法学习改进，并应用于网络、航天等领域。然而此方法仅仅考虑了弱化作用，对于化学振荡反应等领域却起着负做用。文献《Hopf bifurcation control of congestion control model in a wireless access network》中提出的方法就是对模糊调控方法进行改进并应用到无线接入网络的拥塞模型中，延迟或消除模型中出现的Hopf分岔，此方法的与模糊调控方法异曲同工，只是改变了调控参数的区间，而没有考虑Hopf分岔的强化对动力系统的重要作用。

因为化学振荡反应是非线性化学中不可或缺的一部分，有周期行为、混沌等很多非线性现象，因此对于振荡化学，不仅不需要去延迟或消除此过程，而且要强化振荡过程，让这些非线性现象更明显。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种强化化学振荡反应过程的混合调控方法，能够检测化学振荡的出现，强化化学振荡过程，扩大发生振荡的参数区间，实现对化学振荡的调控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(一)将化学振荡反应布鲁塞尔振子表示为：一种化学物质A经过反应速率k₁得到一种化学物质X；两种化学物质B、X混合，经过反应速率k₂得到两种化学物质D、Y；两倍量的化学物质X和化学物质Y混合，经过反应速率k₃得到三倍量的化学物质X；化学物质X经过反应速率k₄得到一种化学物质E；

(二)建立描述化学性质的非线性动力学微分速率方程，

式中a、b、x、y是化学物质A、B、X、Y无量纲化处理之后的量，τ为时间参量；

(三)通过公式确定使系统发生振荡的分岔参数，即发生振荡的绝对温度T；式中A(T)是一个以分岔参数绝对温度为介质的参数，A(T)＝Aexp(-E/RT)，A为指前因子，A＝280，E为阿伦尼乌斯活化能，E＝12.63KJ/mol，R是理想气体定律中的普适比例常量，R＝8.31J/mol；

(四)对含有温度参数的化学振荡反应过程进行强化，调控模型如下：

其中，调控参数α取值为(1,+∞)。

本发明的有益效果是：