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
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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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