强化化学振荡反应过程的混合调控方法与流程

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《Designandimplementationofahybridcontrolstrategy》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《Hopfbifurcationcontrolofcongestioncontrolmodelinawirelessaccessnetwork》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。

技术实现要素：
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：1.本发明与其他方法相比，如周期力诱导方法，保持了化学振荡反应过程的原有性质，使调控系统的解和温度点与原系统一致。2.本发明从逆向思维出发进行了改进，不局限于弱化干扰信号灯问题中，也可实现对有利信号的强化。3.现有的周期力诱导方法不仅是变量增多，而且只能保持与原振荡系统运动规律一致，本发明简单、直观、更易实现。4.对化学振荡过程采取了本发明的混合调控技术，即给出了含有调控参数的调控模型，克服了现有技术只能弱化反应过程的狭隘性，在保持化学振荡反应原有性质的基础上实现了对振荡过程的强化，使得振荡的振幅和振荡区间增加，有利于对化学物质的提取以及非线性化学的动力学研究。附图说明图1是本发明的方法流程图；图2是以温度T为分岔参数的三维振荡图；图3是物质X、Y原过程中的振荡态与调控之后的振荡过程的对比图，其中，(a)是物质X的对比图，(b)是物质Y的对比图，实线为原过程的振荡过程，*线为调控之后的振荡过程；图4是物质X、Y原过程中的平衡态与调控之后振荡现象的对比图，其中，(a)是物质X的对比图，(b)是物质Y的对比图，实线为原过程的平衡过程，*线为调控之后的振荡过程。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。本发明公开了一种强化化学振荡反应过程的混合调控方法。对于发生振荡的化学反应，即布鲁塞尔振子，如果振荡不明显，那么此反应会在短时间内达到不随时间变化的平衡状态，这对于研究振荡反应的内部结构如多重定态、混沌、化学波等具有限制作用。因此，研究者不仅希望整个振荡反应过程中振荡态的振荡幅度变得更大，而且希望处于平衡态的部分区间也出现振荡现象。混合调控方法的提出实现了在保持原系统动力学性质的基础上，强化了振荡过程的振幅，增大了发生振荡的参数区间。这里需要强调的是，对于每个振荡反应，研究振荡过程时需要取定某个参数来观察振荡随参数的变化，还有整个系统在参数的哪个区间出现振荡，在哪个区间出现平衡态等问题。下面通过布鲁塞尔振荡反应来验证此方法的优越性。(一)反应主反应式著名的化学振荡反应布鲁塞尔振子用如下反应主方程式来表示，如式(1)：这里A、B、D、E、X、Y均为化学物质，k1、k2、k3、k4为每一步的反应速率，其中指的是一种化学物质A经过反应速率k1得到一种化学物质X，意味着B、X两种化学物质的混合经过反应速率k2得到两种化学物质D、Y；其他步骤类似。(二)微分速率方程描述化学性质的非线性动力学微分速率方程，如式(2)：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)温度参数速率方程接着确定使系统发生振荡的分岔参数，这里考虑了含有绝对温度参数A(T)的速率方程，如式(3)：振荡的发生通过绝对温度T值的变化实现，式中A(T)仅是一个以分岔参数绝对温度为介质的普通参数。A(T)用阿伦尼乌斯公式表达为A(T)＝Aexp(-E/RT)，A为指前因子，也称频率因子，E为阿伦尼乌斯活化能，A和E都是与温度无关的常数，分别为A＝280和E＝12.63KJ/mol。R是理想气体定律中的普适比例常量，单位为J/mol，取值R＝8.31J/mol。(四)混合调控模型对含有温度参数的化学振荡反应过程进行调控，这里的调控主要指的是对振荡过程的强化，即分岔行为的振幅的增加以及分岔区间的扩大，调控模型如式(4)：这里的参数α为模型关键所在，即此方法的调控参数，α在这里可以取值(1,+∞)。本发明的实施例包括以下步骤：(一)化学主反应式如图1所示，本发明提出了强化化学振荡反应过程方法，对于著名的化学振荡反应布鲁塞尔振子由(1)式的主反应式描述：这里A、B、D、E、X、Y均为化学物质，k1、k2、k3、k4为每一步的反应速率。其中指的是化学物质A经过速率k1得到化学物质X，意味着B、X两种化学物质的混合经过反应速率k1得到两种化学物质D、Y.其他步骤类似。其他步骤类似。(二)微分速率方程对于主反应式(1)可以写出无量纲化微分速率方程。这里分两步，首先给出物质X、Y的浓度反应式，如下：式中方括号里的A、B、X、Y代表的是含浓度的化学反应物，经无量纲化处理，可以删除方括号，写出无量纲化微分速率方程。如下：这里a、b、x、y为化学物质A、B、X、Y的无量纲化以后的量，τ为时间参量。(三)温度参数速率方程为了研究此振荡过程，确定使系统发生振荡的分岔参数，这里验证了以绝对温度参数A(T)为振荡参数可以得到振荡过程图，即Hopf分岔图。含有温度参数的无量纲化微分方程，如下：(3)式的平衡点为式中A(T)仅是一个以分岔参数绝对温度为介质的普通参数，及随温度而改变的参数，温度的取值随研究目标而改变。这里之所以通过参数A(T)来反应绝对温度的变化对振荡过程的影响，是由于化学中的阿伦尼乌斯公式(Arrheniusequation)。如果想对任何一个化学反应研究温度对系统的影响，需要通过描述化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式，即阿伦尼乌斯公式来实现。这里的A(T)用阿伦尼乌斯公式表达为A(T)＝Aexp(-E/RT)，A为指前因子，也称频率因子，E为阿伦尼乌斯活化能，A和E都是与温度无关的常数，分别为A＝280、E＝12.63KJ/mol。R是理想气体定律中的普适比例常量，单位为J/mol，取值R＝8.31J/mol。考虑整个振荡过程的分岔行为时，T取值T∈[220,350]，通过画出的以温度T为分岔参数的三维振荡图发现整个过程分两个阶段，分别为振荡和平稳两种状态，这对于用混合调控技术强化振荡过程具有重要意义。当分析确定温度下振荡反应的动力学行为时，取T为定值，此时T的取值不是任意取，而是针对两种状态分别取T的值，取振荡区间T的值为T＝270，取平衡状态T＝310，参数A(T)随T的值变化影响着整个系统。因此可以得到T∈[220,350]时整个系统关于分岔参数T的分岔图，如图(2)，也可以得到两种状态T分别取定值时物质X、Y的时间历程图，最终与调控后物质X、Y的时间历程图进行比较。(四)混合调控模型对于混合调控的应用，要求在保持原系统平衡点的情况下来进行分岔控制，这样原系统性质可以不被改变，那么要求保持原系统的平衡点不变。因此给出调控模型如下：(4)式中α为调控参数，α的取值范围为(1,+∞)，但是随着调控参数的增加，振荡幅度也越来越大，大到脱离实际问题。因此这里取α∈[1.1,1.5]。得到此技术对应的模型之后，对于系统振荡过程两种状态温度的取值与对于原系统取值相同，分别为T＝270和T＝310。为了研究混合调控技术对振荡过程的影响，需要实现一个温度值对应不同的调控参数值来观察温度值与调控参数之间的关系，所以取两个不同的α值α＝1.1和α＝1.3。研究结果表明，当温度取定值时，对于原物质X、Y的振荡过程经过调控后振荡的振幅变大且随调控参数的增加变得更剧烈，同时对于原物质X、Y的平衡状态经过调控出现了振荡现象且也随调控参数的增加变得更剧烈。可见，这种调控方法对于化学振荡过程具有重要意义。当得到调控模型以后，通过软件作图得到新系统的振荡过程，分别取化学物质A、B、X、Y的初始浓度为a＝1,b＝2.5,x＝1,y＝1，两种状态的温度和调控参数分别取T＝270,α＝1.1和T＝310,α＝1.3。各值取定之后研究原系统和调控之后的新系统的物质X、Y的振荡情况，分别给出图3(取T＝270,α＝1.1)和图4(取T＝310,α＝1.3)。观察图3、图4，可以发现对于物质X在原系统中的振荡过程，通过调控可以强化振荡振幅，使化学振荡更剧烈，同时，物质X在原系统中处于静止状态，经过调控再次出现化学振荡，增加了物质X的振荡区间。对于化学物质Y同样有类似的现象。因此，调控技术实现了对振荡过程的振幅以及振荡区间的强化。