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天津理工电路习题及答案 第十五章 电路方程的矩阵形式.doc

发布:2017-01-02约3.33千字共13页下载文档
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第十五章 电路方程的矩阵形式内容总结 ——目的是建立计算机辅助分析复杂电路(网络)的数学模型 1、教学基本要求 初步建立网络图论的基本概念:图、连通图和子图的概念,树、回路与割集的拓扑概念,关联矩阵,基本回路,基本割集的概念,选取树和独立回路的方法。关联矩阵,用降阶关联矩阵表示的KCL和KVL的矩阵形式。回路与割集的拓扑概念,单连支回路,单树枝割集。 2、重点和难点 (1) 关联矩阵(2) 结点电压方程的矩阵形式状态方程 电路状态方程列写的直观法和系统法(n-1)ⅹb 其中任意元素ajk的定义为:ajk= +1,表示结点j与支路k相关联且支路方向流出结点; ajk= -1,表示结点j与支路k相关联且支路方向流入结点; ajk= 0,表示结点j与支路k不关联; ② 回路关联矩阵B:描述回路与支路的关联关系的矩阵。设复杂电路(网络)有L个回路、B条支路,其回路关联矩阵B表示如下: lⅹb 其中任意元素bjk的定义为:bjk= +1,表示回路j与支路k相关联且回路方向与支路方向一致; bjk= -1,表示回路j与支路k相关联且回路方向与支路方向向反; bjk= 0,表示回路j与支路k相不关联; ③ 割集关联矩阵Q:描述割集与支路的关联关系的矩阵。设复杂电路(网络)有Q个割集、B条支路,其割集关联矩阵Q表示如下: (n-1)ⅹb 其中任意元素qjk的定义为:qjk= +1,表示割集j与支路k相关联且割集方向与支路方向一致; qjk= -1,表示割集j与支路k相关联且割集方向与支路方向向反; qjk= 0,表示割集j与支路k相不关联; 注意: ★ 对于结点关联矩阵有: 基尔霍夫电流定律的矩阵形式:Ai = 0;i =[ii i2 i3 …… ib]T。 基尔霍夫电压定律的矩阵形式: u =ATun;u =[ui u2 u3 …… ub]T。 un =[uni un2 un3 …… un(n-1)]T。 ★ 对于回路关联矩阵有: 基尔霍夫电流定律的矩阵形式: i = BTil;i =[ii i2 i3 …… ib]T。 il =[ili il2 il3 …… ill]T 基尔霍夫电压定律的矩阵形式:Bu = 0;u =[ui u2 u3 …… ub]T。 ★ 对于割集关联矩阵有: 基尔霍夫电流定律的矩阵形式:Qi = 0;i =[ii i2 i3 …… ib]T。 基尔霍夫电压定律的矩阵形式: u =QfTut;u =[ui u2 u3 …… ub]T。 ut =[uti ut2 ut3 …… ut(n-1)]T。 ④三种矩阵之间的关系(略) 2. 三种分析方法的方程的矩阵形式 ① 回路电流方程的矩阵形式(略) ② 割集电压方程的矩阵形式(略) ③ 结点电压方程的矩阵形式 基尔霍夫电流定律的矩阵形式:Ai = 0;i =[ii i2 i3 …… ib]T。 基尔霍夫电压定律的矩阵形式:u =ATun;u =[ui u2 u3 …… ub]T。 un =[uni un2 un3 …… un(n-1)]T。 结点电压方程的矩阵形式的形成过程: 第一步:建立复合支路: 由于复杂电路的形式很难确定,在实际分析中只能采用具体电路具体分析。为建立复杂电路的一般分析方法,有必要假设复杂电路的复合支路,从而形成一个较为普遍的方法。复合支路即第k条支路如下: 由基尔霍夫电流定律得: 所以: 对该式 进行讨论,目的是得出一般规律。 ⑴ 复合支路中无受控源时: 由KCL得: 变成 将代入得: 又 所以 对整个电路有:其中Y为支路导纳矩阵,它是一个对角矩阵。 同理可以分析一下两种情况 ⑵ 复合支路中无受控源,但电感之间有互感时: ⑶ 复合支路中含有受控源时: 都可以推导出 第二步:写出A、Y、IS、US等矩阵; 第三步:代入结点电压方程的矩阵形式: 3、典型例题分析 【例题1】:含有受控源时的结点电压方程矩阵形式的列写。电路如图(a)所示,图中元件的下标代表支路编号,图(b)是它的有向图。写出结点电压方程的矩阵形式。 图(a)图(b)解:图(b) 节点电压的列向量, 支路电流的列向量, 支路电压的列向量, 支路导纳矩阵, 节点导纳矩阵, 结点电压方程的矩阵形式为 【例题2】:对于较为简单的电路,采用直观法和系统法均可,当电路较为复杂时,一般采用系统法。电路如图(a)所示,以为状态变量,列出电路的状态方程。 图(a)图(b)解:方法 1直观法KVL:KCL : 消去;; 代入上式 然后整理成矩阵形式方法 2系统法选图(b)中支路 1 、 3 、 4 、 6 为树支含电感单连支回路的 KVL :含电容单树支割集的 KCL : 【例题3】
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