第15章 电路方程的矩阵形式(高教五版)

Chapter 15 电路方程的矩阵形式主要内容 1.关联矩阵，回路矩阵，割集矩阵; 2.KCL, KVL 的矩阵形式；3.回路电流（网孔电流）方程、结点电压方程、割集电压方程的矩阵形式；§15-1 割集KCL 和KVL 所表示的电路中各电压、电流之间的约束关系取决于电路中各元件的连接方式。

电路的拓扑 ---- 电路中各元件的连接方式。

电路拓扑性质用图论及矩阵代数进行研究（图，回路，树，割集等）。

1. 割集：是G 的一个支路集合，移去这些支路，将使G 分离为两个部分，如果少移去其中任意一条支路，图仍将是连通的。

可以用在连通图G 上作闭合面的方法来判断确定一个割集，与闭合面相切割的所有支路构成一个割集（因移去这些支路，G 被分离为两部分）。

割集：),,,( ),,,,( ),,,,( ),,,( ),,,( ),,,( ),,,(d c b a f c e a f d e b c e d f c b b e a f d a 非割集：),,,(),,,(c b e a e d aKCL 适用于任何一个闭合面，属于同一割集的所有支路的电流满足KCL ，若一个割集的所有支路都连接在同一个接点上，割集的KCL 方程即变为结点上的KCL 方程2. 独立割集：一组线性独立的KCL 方程对应的割集。

应用割集法，首先必须选择一组独立割集。

① 选定连通图的一个树，则任何连支集合不能构成一个割集；因移去全部连支，剩下的子图（树）仍是连通的，故任何连支集合不能构成割集.② 连通图的每一个树支与一些相应的连支可以构成一个割集。

因移去全部连支，剩下子图为树，再移去一个树支，则树被分离成 21 T T 和两部分，于是联结 21 T T 和的那些连支和这条树支必构成一个割集。

③ 单树支割集（基本割集）由树的一条树支与相应的一些连支所构成的割集为单树支割集。

如下图中 ),,( ),,,( ),,,(d f a f c b e b a④n 个结点和b 条支路的连通图，其树支数为 (n -1)，有(n -1)个单树支割集，称为基本割集组。

第15章电路方程的矩阵形式●本章重点1、了解图有关的概念；2、掌握与图的描述有关的三个矩阵；3、基本回路与基本割集的选择；4、状态方程的列写方法。

●本章难点1、复杂电路建立状态方程。

●教学方法本章主要讲述了图论中的基本概念、三个重要矩阵（关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵）及由此导出的KCL、KVL矩阵方程，最后，讲述了列写电路的状态方程的两种方法，即直观法和系统法。

对重点内容，课堂上不仅要把概念讲解透彻，并通过讲例题加以分析，课下布置一定的作业，使学生加深对内容的理解并牢固掌握。

本章讲授共用4课时。

对回路电流方程、节点电压方程、割集电压方程和列表方程等内容以自学为主。

●授课内容15.1割集一、图的概念1，图(线图)：线段（支路）与点（节点）的集合。

2，有向图：标出支路电压，电流参考方向的图。

3，连通图：任意两个节点间至少存在一条由支路构成的路径。

4，子图：若图G1中所有支路和节点都属于图G，就把G1称为G的子图。

二、树、基本回路、割集(a) (b) (c)(d) (e) (f)1、树1）定义：在连通图G中，把所有的节点连通起来，但不包含任一闭合路径的部分线图称为一棵树。

①含所有节点，②不具有回路，③连通的，④为G的子图。

电路的图G如图(a)所示，图(b)为图G的一棵树，图(c)不是图G的树（未含所有节点）；图(d)不是图G的树（出现了回路）；图(e)不是图G的树（不是连通图）；图(f)不是图G的树（不是图G的子图）。

2）树支：属于一棵树的支路称为该树的数支。

树支数＝n－1＝独立节点数3）连支：不属于一棵树的支路称为该树的连支。

连支数＝b-(n-1)=独立回路数。

连支的集合称为余树、补树2、基本回路：在图G中选取一棵树后，由一条连支及相应的树支所构成的回路称为该树的基本回路(单连支回路)。

1）基本回路数=连支数。

2）基本回路的KVL方程相互独立。

3）不同的树对应于不同的基本回路。

3、割集：图G中所有被切割支路的集合同时满足下列两个条件时称为割集。

第十五章电路方程的矩阵形式重点：1.关联矩阵；2. 结点电压方程的矩阵形式；3. 状态方程。

难点：电路状态方程列写的直观法和系统法。

§ 15.1 图的矩阵表示1. 有向图的关联矩阵2.电路的图是电路拓扑结构的抽象描述。

若图中每一支路都赋予一个参考方向，它成为有向图。

有向图的拓扑性质可以用关联矩阵、回路矩阵和割集矩阵描述 3. 关联矩阵是用结点与支路的关系描述有向图的拓扑性质。

4. 回路矩阵是用回路与支路的关系描述有向图的拓扑性质。

5. 割集矩阵是用割集与支路的关系描述有向图的拓扑性质。

6. 本节仅介绍关联矩阵以及用它表示的基尔霍夫定律的矩阵形式。

7.一条支路连接某两个结点，则称该支路与这两个结点相关联。

支路与结点的关联性质可以用关联矩阵描述。

设有向图的结点数为 n ,支路数为b ,且所有结点与支路均加以编号。

于是，该有向图的关联矩阵为一个 」阶的矩阵，用 表示。

它的每一行对应一个结点，每一列对应一条支路，它的任一元素 定义如下：8.，表示支路 k 与结点j 关联并且它的方向背离结点9.-1 一，表示支路k 与结点j 关联并且它指向结点； 10.n:A，表示支路k 与结点j 无关联。

对于图 15.1 所示的有向图，它的关联矩阵是1 23 45 61'-I -1 0 1 0 0A=2 0 0 1 -1-1 D 3 41 0 0 0+1 +4 0 +1 -1 0图 15.1J-的每一列元素之和为零。

关联矩阵丄的特点:①每一列只有两个非零元素，一个是+1，—个是-1，如果把 的任一行划去，剩下的矩阵用 亠』表示，并称为降阶关联矩阵（今后主要用这种降阶关联矩阵， 所以往往略去“降阶”二字） ，被划去的行对应的结点可以当作参 考结点。

例如，若以结点4为参考结点，把上式中'3-的第4行划去，得 A0 0-1 0+1 -+1的第3行划去，得 A0 01-1 0 0 -1或一个-1 ，每一个这样的列必对应于与参考结从而画岀有向图。

答案第一章【1】：由U A B =5V 可得：I AC .=-25A ：U D B =0：U S .=125V 。

【2】：D 。

【3】：300；-100。

【4】：D 。

【题5】：()a i i i =-12；()b u u u =-12；()c ()u u i i R =--S S S ；()d ()i i R u u =--S SS 1。

【题6】：3；-5；-8。

【题7】：D 。

【题8】：P US1=50 W ；P U S 26=- W ；P U S 3=0；P I S 115=- W ；P I S 2 W =-14；P I S 315=- W 。

【题9】：C 。

【题10】：3；-3。

【题11】：-5；-13。

【题12】：4（吸收）；25。

【题13】：0.4。

【题14】：3123I +⨯=；I =13A 。

【题15】：I 43=A ；I 23=-A ；I 31=-A ；I 54=-A 。

【题16】：I =-7A ；U =-35V ；X 元件吸收的功率为P U I =-=-245W 。

【题17】：由图可得U E B =4V ；流过2 Ω电阻的电流I E B =2A ；由回路ADEBCA 列KVL 得 U I A C =-23；又由节点D 列KCL 得I I C D =-4；由回路CDEC 列KVL 解得；I =3；代入上 式，得U A C =-7V 。

【题18】：P P I I 12122222==；故I I 1222=；I I 12=； ⑴ KCL ：43211-=I I ；I 185=A ；U I I S =-⨯=218511V 或16.V ；或I I 12=-。

⑵ KCL ：43211-=-I I ；I 18=-A ；U S =-24V 。

第二章【题1】：[解答]I =-+9473A =0.5 A ；U I a b .=+=9485V ； I U 162125=-=a b .A ；P =⨯6125. W =7.5 W；吸收功率7.5W 。

电路方程的矩阵形式
一、实际工程应用中，电路的规模日益增大，结构日益复杂，为了便于借助计算机做为辅助手段，求解方程，要求将电路方程用矩阵形式表示。

1，回路电流方程（网孔电流法）由于描述支路与回路关联性质的是回路矩阵B，所以适合用以Ｂ表示的ＫＣＬ和ＫＶＬ推到回路电流方程的矩阵形式，在加一组约束方程，便得到了回路方程的矩阵形式。

（不允许存在无伴电流源）
２，节点电压法：节点电压法以结点电压为电路的独立变量，并且用ＫＣＬ列足够的独立方程。

宜用以矩阵A表示的KCL和ＫＶＬ推到结点电压方程的矩阵形式。

在加一组约束方程，便得到了结点电压法的矩阵形式。

（不允许存在无伴电压源）
3，另外还有割集电压方程，（割集电压法是结点电压法的推广）列表法等方法，列表法适应性很强，方程易于建立，但缺点是规模大，零元素所占比例越大，稀疏技术发展以使这一缺点变得微不足道。

二．二端口网络
任何复杂由线性Ｒ、Ｌ（Ｍ）、Ｃ元件构成的无源一端口可以用一个等效阻抗表征它的外部特性。

同理，任何给定的由线性Ｒ、Ｌ（Ｍ）、Ｃ元件构成的无源二端口的外部性能可以用３个参数确定，那么只要找到一个由具有三个阻抗组成的简单二端口，两个二端口参数相同，则两个二端口的外部特性完全相同，它们是等效的。

三、回转器和负阻抗变换器
回转器有把一个端口上的电流“回转”为另一个端口上的电压或相反的过程的本领。

正是这一性质，使回转器具有把一个电容回转为一个电感的本领。

负阻抗变换器（简称ＮＩＣ）也是一个二端口，为电路设计中实现负Ｒ、Ｌ、Ｃ提供可能行。