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网络拓扑和电路的矩阵形式

1 第十五章 网络拓扑和电路方程的矩阵形式 第一节 网络的拓扑图 一、网络的图:1、拓扑图: 在电路的分析中,不管电路元件的性质差别,只注意连接方式即网络拓扑的问题。若将每一条支路用一条线段(线段的长短、曲直不限)来表示,就组成拓扑图。如图15-1-1(a)对应电路的拓扑图为(b)。图15-1-2(a)对应电路的拓扑图为(b)。图15-1-3(a)对应电路在低频下的拓扑图为(b)。

此拓扑图是连通图。

(b)是互感电路的分离图。

(b)是在低频下的拓扑图,是分离图,包括自环(自回路)、悬支、孤立结点。 2

2、有向图:如果标以支路电压、电流的(关联)参考方向,即成有向图。 3、子图:如果图G1的所有结点和支路是图G的结点和支路,则G1是G的子图。子图可以有很多。 第二节 树、割集 一、树: 1、定义:连通图G的树T是G的一个子图。(1)它是连同的。(2)包括G中的所有结点。(3)不包含任何回路。树是连接图中所有结点但不包含回路的最少的支路集合。同一拓扑图可以有不同的树。对于一个有n个结点的全连通图可以选择出nn-2种不同的树。 2、树支和连支:当树确定后,凡是图G的支路又属于T的,称为树支,其它是连支。树支数T=n-1;连支数L=b-(n-1)。 二、割集: 定义:对连通图来说,割集C是一组支路的集合,如果把C的全部支路移去,将使原来的连通图分成两个分离部分,但在C的全部支路中,只要少移去一条支路,剩下的拓扑图仍是连通的。因此割集是把连通图分成两个分离部分的最少支路集合。 三、独立回路组的确定: 可以通过树确定一组独立回路,称为单连支回路组。如图15-2-1。

选择支路1、2、3、7为树支,4、5、6、8为连支,则单连支回路组为: {1、2、4},{2、3、5},{2、3、6、7},{1、3、7、8}。 又称为单连支回路组。

四、独立割集组的确定: 可以通过树确定一组独立割集,称为单树支割集组。如图15-2-2。

选择支路1、2、3、7为树支,4、5、6、8为连支,则单树支割集组为: {1、4、8},{2、4、5、6},{3、5、6、8},{6、7、8}。 又称为单树支割集组。 第三节 关联矩阵、回路矩阵、 3

割集矩阵 有向拓扑图的结构可以用关联矩阵、回路矩阵、割集矩阵来描述。 一、 关联矩阵: 1、 关联矩阵的描述:描述支路与结点之间的关联情况。对于n个结点b条支路的电路,用n* b阶矩阵或(n-1)* b阶矩阵来描述。矩阵中的一行对应一个结点,一列对应一条支路。矩阵中的元素为:

以15-3-1为例。其矩阵形式为:

其特点为:每一列只有两个非零元素,且一“+”、一“-”。因此可以划去一行(此行对应的结点称为参考结点,如第四行)称为降阶关联矩阵,用A表示(以后,如果无特殊说明均指A)。则:

关联矩阵和拓扑图之间为一一对应的关系。

2、KCL的矩阵形式: 3、支路电压与结点电压关系的矩阵形式:

二、回路矩阵(基本回路矩阵): 1、(基本)回路矩阵描述:描述支路与回路之间的关联情况。对于n个结点b条支路的电路,用[b-(n-1)]* b阶矩阵来描述。矩阵中的一行对应一个独立回路,一列对应一条支路。矩阵中的元素为:





不关联)与结点(支路)的参考方向指向结点相关联,支路与结点(支路)的参考方向离开结点相关联,支路与结点(支路ij0ijij1ijij1aij

称为全结点关联矩阵。

则:关联矩阵:



100101010110101010011001

Aa

是支路电流列相量。其中bbi0iA

是支路电压列相量。是结点电压列相量,其中bnnTbuuuAu



010110101010011001A 4

以15-3-2为例: 可以任意选择一组独立回路。但通常选择单连支回路作为独立回路。称为基本回路组即单连支回路组。 以支路4、5、6为树支,1、2、3为连支。则基本回路矩阵为:

可见,Bf中包含一个L阶的单位子矩阵,原因是:支路编号时先连支后树支(或先树支后连支);基本回路编号顺序与连支先后顺序号一致;回路正方向与连支正方向一致。 与关联矩阵不同。基本回路矩阵不能唯一确定一个拓扑图的形状。 2、KVL的矩阵形式:

3、支路电流与回路电流关系的矩阵形式:

三、割集矩阵(基本割集矩阵): 1、(基本)割集矩阵描述:描述支路与割集之间的关联情况。对于n个结点b条支路的电路,用 (n-1) * b阶矩阵来描述。矩阵中的一行对应一个独立割集,一列对应一条支路。矩阵中的元素为:

以15-3-3为例: 可以任意选择一组独立割集。但通常选择单树支割集作为独立割集。称为基本割集组即单树支割集组。 以支路4、5、6为树支,1、2、3为连支。则基本割集矩阵为:





不关联)与回路(支路方向相反)的参考方向与回路参考相关联,支路与回路(支路方向一致)的参考方向与回路参考相关联,支路与回路(支路ij0jij1jij1bij



111100011010101001Bf

tLB1

是支路电压列相量。其中bbfu0uB

是回路电流列相量。其中LLTfbiiBi





不关联)与割集(支路方向相反)的参考方向与割集参考相关联,支路与割集(支路方向一致)的参考方向与割集参考相关联,支路与割集(支路ij0jij1jij1qij 5 

电流源列相量。为独立为独立电压源列相量。为支路电压列相量。下为对角线阵。互感、无受控源的情况为支路导纳矩阵,在无为支路电流列相量。其中为:、电流关系的矩阵形式条支路,则各支路电压如果电路中含有S.S...S.S...SK.SK.K.KK.IUUYI

I}UU{YIbI)UU(YI

可见,Qf中包含一个L阶的单位子矩阵,原因是:支路编号时先连支后树支(或先树支后连支);基本割集编号顺序与树支顺序号一致;割集正方向与树支正方向一致。

与关联矩阵不同。基本割集矩阵不能唯一确定一个拓扑图的形状。 2、KCL的矩阵形式:

3、支路电压与结点电压关系的矩阵形式:

对于连通图G,若选择相同的支路顺序,则关联矩阵、回路矩阵之间满足: 若选择连通图的同一个树,则基本回路矩阵和基本割集矩阵之间满足: 证明略。 第四节 结点电压方程的矩阵形式 一、复合支路(以正弦交流为例):又称一般支路,典型支路。如图15-4-1。

阻抗ZK只能是电阻、感抗、容抗之一而不能是它们的组合。 二、特性方程及结点电压方程的矩阵形式:分三种情况讨论。 1、无受控源、无互感。



100101010110001111Qf

tLB1

0iQbf

是割集电压列相量。其中ttTfbuuQu

之间的关系:四、ffQBA

0AB0BA0AB0BATfTfTT或或或

TtLTffT

ffBQ0QB0BQ即或

流。条支路受控电流源的电为第流。条支路理想电流源的电为第压。条支路理想电压源的电为第条支路的阻抗。为第条支路的电压、电流。为第、其中kIkIkUkZkIUdK.SK.SK.KK

.K. 6

为了得到结点电压方程的矩阵形式,利用KCL的矩阵形式和支路电压与结点电压之间的关系,可得:

通过例题说明结点电压方程的列写过程和方程的物理意义。 【例15-1】按步骤写出图15-1(a)结点电压方程的矩阵形式。

【解】电路的有向图如(b)。以结点④为参考结点。关联矩阵A为:

路电压、支路电流。得结点电压、进而求支的逆矩阵存在,则可求若,称为结点导纳矩阵。其中nnTS.S.n.TYYAYAUYAIAUAYA





011010100011001101A

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