《电路》(第五版)课件-第15章

电路方程的矩阵形式,第,15,章 电路方程的矩阵形式,割集,15.1,关联矩阵、回路矩阵、割集矩阵,15.2,矩阵,A,、,B,f,、,Q,f,之间的关系,15.3*,回路电流方程的矩阵形式,15.4,结点电压方程的矩阵形式,15.5,列表法,15.7*,割集电压方程的矩阵形式,15.6*,首 页,本章重点,重点,关联矩阵、割集矩阵、基本回路矩,阵和基本割集矩阵的概念,回路电流方程、结点电压方程和割,集电压方程的矩阵形式,返 回,15.1,割集,下 页,上 页,割集,Q,连通图,G,中支路的集合，具有下述性质：,把,Q,中全部支路移去，图分成二个分离部分。,任意放回,Q,中一条支路，仍构成连通图。,8,7,6,5,4,3,2,1,9,割集,：,(1 9 6) (2 8 9),(3 6 8) (4 6 7) (5 7 8),(3 6 5 8 7) , (3 6 2 8),是割集吗？,问题,返 回,基本,割集,只含有一个树枝的割集。割集数,n,-,1,连支集合不能构成割集。,下 页,上 页,注意,8,7,6,5,4,3,2,1,9,属于同一割集的所有支路的电流应满足,KCL,。当一个割集的所有支路都连接在同一个结点上，则割集的,KCL,方程变为结点上的,KCL,方程 。,返 回,下 页,上 页,注意,对应一组线性独立的,KCL,方程的割集称为独立割集 ，基本割集是独立割集，但独立割集不一定是单树支割集。,返 回,15.2,关联矩阵、回路,矩阵、割集矩阵,图的矩阵表示是指,用矩阵描述图的拓扑性质，即,KCL,和,KVL,的矩阵形式。有三种矩阵形式：,下 页,上 页,1.,图的矩阵表示,结点,支路,关联矩阵,回路,支路,回路矩阵,割集,支路,割集矩阵,返 回,下 页,上 页,2.,关联矩阵,A,用矩阵形式描述,结点,和,支路,的关联性质。,n,个结点,b,条支路的图用,n,b,的矩阵描述：,A,a,=,n,b,支路,b,结,点,n,每一行对应一个结点，每一列对应一条支路。,矩阵,A,a,的每一个元素定义为：,注意,a,jk,a,jk,=,1,支路,k,与,结,点,j,关联，方向背离,结,点；,a,jk,=,-1,支路,k,与,结,点,j,关联，方向指向,结,点；,a,jk,=,0,支路,k,与结点,j,无关。,返 回,下 页,上 页,例,1,特点,每一列只有两个非零元素，一个是,+1,，一个是,-1,，,A,a,的每一列元素之和为零。,A,a,=,1,2,3,4,1 2 3 4 5 6,支,结,-1,-1,1 0 0 0,0 0 -1 -1 0 1,1 0 0 1 1 0,0 1 0 0 -1 -1,矩阵中任一行可以从其他,n-1,行中导出，即只有,n-1,行是独立的。,返 回,下 页,上 页,A,a,=,1,2,3,4,1 2 3 4 5 6,支,结,-1,-1,1 0 0 0,0 0 -1 -1 0 1,1 0 0 1 1 0,0 1 0 0 -1 -1,降阶关联矩阵,A,特点,A,的某些列只具有一个,+1,或一个,1,，这样的列对应与划去结点相关联的一条支路。被划去的行对应的结点可以当作参考结点。,A,a,=,(,n-,1,),b,支路,b,结,点,n-,1,返 回,下 页,上 页,关联矩阵,A,的作用,用关联矩阵,A,表示矩阵形式的,KCL,方程；,设,:,以结点为参考结点,A,i,=,-1,-1,1 0 0 0,0 0 -1 -1 0 1,1 0 0 0 1 0,n-1,个独立方程,矩阵形式的,KCL,:, A ,i,= 0,返 回,下 页,上 页,用矩阵,A,T,表示矩阵形式的,KVL,方程。,设,:,返 回,下 页,上 页,2.,回路矩阵,B,独立回路与支路的关联性质可以用回路矩阵,B,描述。,B,=,l,b,支路,b,独立回路,l,注意,每一行对应一个独立回路，每一列对应一条支路。,矩阵,B,的每一个元素定义为：,b,ij,1,支路,j,在回路,i,中，且方向一致；,-1,支路,j,在回路,i,中，且方向相反；,0,支路,j,不在回路,i,中。,返 回,下 页,上 页,例,1,1,2,3,取网孔为独立回路，顺时针方向,给定,B,可以画出对应的有向图。,1,2,3,B, =,1 2 3 4 5 6,支,回,0 1 1 0 0 1,0 0 0 -1 1 -1,1 -1 0 0 -1 0,注意,基本回路矩阵,B,f,独立回路对应一个树的单连枝回路得基本回路矩阵,B,f,返 回,支路排列顺序为先连支后树支，回路顺序与连支顺序一致。,下 页,上 页,连支电流方向为回路电流方向；,规定,例,选,2,、,5,、,6,为树，连支顺序为,1,、,3,、,4,。,1,2,3,1,1,2,3,B, =,1 3 4 2 5 6,支,回,1 0 0 -1,-1,0,0 1 0 1 0 1,0 0 1 0 -1 1,B,t,B,l,= 1,B,t,返 回,下 页,上 页,回路矩阵,B,的作用,用,回路矩阵,B,表示矩阵形式的,KVL,方程；,设,u,l,u,t,B,u,=,1 0 0 -1,-1,0,0 1 0 1 0 1,0 0 1 0 -1 1,l,个独立,KVL,方程,矩阵形式的,KVL,：, B ,u,= 0,返 回,B,f,u,= 0,u,l,+B,t,u,t,=0,u,l,=,-,B,t,u,t,设：,连支电压可以用树支电压表示。,用,回路矩阵,B,T,表示矩阵形式的,KCL,方程,下 页,上 页,注意,独立回路电流,返 回,下 页,上 页,1,2,3,1,矩阵形式的,KCL,：,B,T,i,l,=,i,注意,树支电流可以用连支电流表出。,返 回,下 页,上 页,3.,基本割集矩阵,Q,f,割集与支路的关联性质可以用割集矩阵描述，这里主要指基本割集矩阵。,Q,=,(,n-,1),b,支路,b,割集数,注意,每一行对应一个基本割集,每一列对应一条支路,.,矩阵,Q,的每一个元素定义为：,q,ij,1,支路,j,在割集,i,中，且与割集方向一致；,-1,支路,j,在割集,i,中，且与割集方向相反；,0,支路,j,不在割集,i,中。,返 回,下 页,上 页,规定,割集方向为树支方向；,支路排列顺序先树支后连支；,割集顺序与树支次序一致。,基本割集矩阵,Q,f,例,1,选,1,、,2,、,3,支路,为树,Q,1,: 1, 4, 5,Q,2,: 2, 5, 6,Q,3,: 3, 4 , 6,返 回,Q,l,Q,t,下 页,上 页,Q,f,=,1 2 3 4 5 6,支,割集,Q,1,Q,2,Q,3,1 0 0 1 1 0,0 1 0 0 -1 -1,0 0 1 1 0 -1,1,基本割集矩阵,Q,f,的作用,用基本,割集矩阵,Q,f,表示矩阵形式的,KCL,方程。,设,返 回,矩阵形式的,KCL,：,Q,f,i,=0,下 页,上 页,Q,f,i,=,1 0 0 1 1 0,0 1 0 0 -1 -1,0 0 1 1 0 -1,1,n-1,个独立,KCL,方程,返 回,设树枝电压（或基本割集电压）：,u,t,=,u,1,u,2,u,3,T,用,Q,f,T,表示矩阵形式的,KVL,方程,矩阵形式的,KVL,：,Q,f,T,u,t,=,u,下 页,上 页,返 回,连支电压可以用树支电压表示。,下 页,上 页,注意,小结,Q,A,B,KCL,KVL,A,i,=0,B,T,i,l,=,i,u,l,=,-,B,t,u,t,B,u,=0,Q,f,i,=,0,Q,T,u,t,=,u,返 回,对同一有向图，支路排列次序相同时，满足：,三个矩阵从不同角度表示同一网络的连接性质，它们之间自然存在着一定的关系。,15.3,*,矩阵,A,、,B,f,、,Q,f,之间的关系,1.,A,与,B,之间的关系,下 页,上 页,返 回,对同一有向图，任选一树，,按先树枝后连枝顺序,有：,2.,B,f,与,Q,f,之间的关系,下 页,上 页,对同一有向图，支路排列次序相同时，满足：,返 回,对同一有向图，任选一树，按先树枝后连枝顺序写出矩阵：,3.,A,与,Q,f,之间的关系,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,例,已知：,1 2 3 4 5,B,f,=,1 0 1 0 0,-1 1 0 1 0,-1 0 0 0 1,求基本割集矩阵，并画出网络图。,解,1,返 回,15.4,回路电流方程的矩阵形式,反映元件性质的支路电压和支路电流关系的矩阵形式是网络矩阵分析法的基础。,1.,复合支路,下 页,上 页,规定标准支路,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,下 页,上 页,复合支路特点,支路的独立电压源和独立电流源的方向与支路电压、电流的方向相反；,支路电压与支路电流的方向关联；,支路的阻抗（或导纳）只能是单一的电阻、电容、电感，而不能是它们的组合。,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,复合支路定义了一条支路最多可以包含的不同元件数及连接方法，但允许缺少某些元件。,下 页,上 页,注意,(,Z,k,Y,k,）,(,Z,k,Y,k,）,+,-,返 回,下 页,上 页,Z,k,(,Y,k,)=0,+,-,Z,k,(,Y,k,),+,-,Z,k,(,Y,k,)=0,Z,k,(,Y,k,)=0,返 回,2.,支路阻抗矩阵形式,电路中电感之间无耦合,下 页,上 页,如有,b,条支路，则有,：,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,设,Z,=diag,Z,1,Z,2,Z,b,支路电流列向量,支路电压列向量,电压源的电压列向量,电流源的电流列向量,下 页,上 页,阻抗矩阵,返 回,整个电路的,支路电压、电流关系矩阵：,b,b,阶对角阵,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,电路中电感之间有耦合,M,*,+,-,+,-,*,+,-,+,-,返 回,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,如,1,支路至,g,支路间均有互感,Z,不是,对角阵,返 回,下 页,上 页,返 回,电路中有受控电压源,下 页,上 页,Z,的非主对角元素将有与受控电压源的控制系数有关的元素。,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,+,-,返 回,例,下 页,上 页,写出图示电路的阻抗矩阵,返 回,+,R,1,R,5,1/j,C,j,L,2,R,6,-,j,L,3,M,3.,回路电流方程的矩阵形式,回路电流,i,l,(b-n+1),1,阶,下 页,上 页,支路方程：,返 回,回路电压源向量,回路阻抗阵，主对角线元素为自阻抗，其余元素为互阻抗。,回路矩阵方程,下 页,上 页,返 回,从已知网络，写出,回路分析法的步骤：,求出,列出回路方程,求出,由,KCL,解出,根据支路方程解出,下 页,上 页,小结,返 回,例,下 页,上 页,用矩阵形式列出电路的回路电流方程。,解,做出有向图，选支路,1,，,2,，,5,为树枝。,1,5,2,4,3,1,2,1 2 3 4 5,1,2,+,R,1,1/j,C,5,j,L,4,R,2,-,j,L,3,返 回,下 页,上 页,把上式各矩阵代入回路电流方程的矩阵形式,返 回,1.,支路导纳矩阵形式,下 页,上 页,15.5,结点电压方程的矩阵形式,电路中,不含互感和受控源,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,下 页,上 页,返 回,b,b,阶对角阵,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,电路中电感之间有耦合,M,*,+,-,+,-,*,+,-,+,-,返 回,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,电路中有受控电源,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,下 页,上 页,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,考虑,b,个支路时：,下 页,上 页,若：,k,j,kj,g,返 回,下 页,上 页,若：,k,j,j,kj,Y,b,返 回,KCL,下 页,上 页,2.,结点电压方程的矩阵形式,支路方程：,KVL,返 回,Y,n,结点导纳阵,独立电源引起的流入结点的电流列向量,下 页,上 页,返 回,结点分析法的步骤,第一步：把电路抽象为有向图,下 页,上 页,5V,1,3A,1A,+,-,0.5,5,0.5,2,1,小结,1,2,3,4,5,6,返 回,第二步：形成矩阵,A,1,2,3,A=,1 2 3 4 5 6,1 1 0 0 0 1,0,-,1 1 1 0 0,0 0,-,1 0 1,-,1,下 页,上 页,1,2,3,4,5,6,第三步：形成矩阵,Y,第四步：形成,U,S,、,I,S,U,S,= -5 0 0 0 0 0 ,T,I,S,=0 0 0 -1 3 0 ,T,返 回,第五步：用矩阵乘法求得结点方程,下 页,上 页,返 回,例,下 页,上 页,用矩阵形式列出电路的结点电压方程。,解,做出有向图,5,2,4,3,1,3,0,返 回,i,S5,gu,a,u,a,G,5,C,3,G,4,+,-,*,*,M,L,2,L,1,下 页,上 页,5,2,4,3,1,3,0,注意,g,的位置,i,S5,gu,a,u,a,G,5,C,3,G,4,+,-,*,*,M,L,2,L,1,返 回,代入,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,*,15.6,割集电压方程的矩阵形式,割集电压是指由割集划分的两分离部分之间的一种假想电压。以割集电压为电路独立变量的分析法称为割集电压法。,复合支路,用导纳表示的支路方程：,Z,k,(,Y,k,),+,-,+,-,返 回,结合以上方程有：,下 页,上 页,以树支电压为未知量,返 回,割集导纳矩阵，主对角线元素为相应割集各支路的导纳之和，总为正；其余元素为相应两割集之间共有支路导纳之和。,割集电流源向量,下 页,上 页,割集矩阵方程,返 回,下 页,上 页,注意,割集电压法是结点电压法的推广，或者说结点电压法是割集电压法的一个特例。若选择一组独立割集，使每一割集都由汇集在一个结点上的支路构成时，割集电压法便成为结点电压法。,小结,割集分析法的步骤：,选定一个树，写出,计算,，列出割集方程,求出,，由,KVL,解出,根据支路方程解出,返 回,例,下 页,上 页,以运算形式列出电路的割集电压方程的矩阵形式，设动态元件的初始条件为零。,解,做出有向图，选支路,1,，,2,，,3,为树枝。,1,5,2,4,3,U,t1,U,t2,U,t3,R,1,C,5,L,4,R,2,L,3,返 回,下 页,上 页,用拉氏变换表示时，有：,代入割集方程：,返 回,下 页,上 页,*,15.7,列表法,1.,矩阵分析法的局限性,回路电流法不允许存在无伴电流源支路，且规定的复合支路不允许存在受控电流源；,结点电压法和割集电压法不允许存在无伴电压源支路，且规定的复合支路不允许存在受控电压源。,2.,列表法,规定一个元件为一条支路，用阻抗描述电阻或电感支路，用导纳描述电导或电容支路。,返 回,下 页,上 页,对于电阻或电感支路有：,，,或,对于电导或电容支路有：,或,对于,VCVS,支路有：,对于,CCVS,支路有：,对于,VCCS,支路有：,对于,CCCS,支路有：,对于,独立电源,支路有：,返 回,上 页,支路方程：,，,KCL,KVL,结点列表方程的矩阵形式：,返 回,