CN107305537A - 一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，包括下述步骤：(1)列写电路的系统状态方程；(2)将电路中的理想开关等效为基本的支路元件；(3)对电路的系统状态方程进行修改。本发明提供的技术方案根据电路中理想开关的闭合、断开状态修改电路状态方程，与传统的电路分析方法相比，本发明不需要重新生成电路方程，仅需要对发生开关状态切换的支路进行修改，因此计算速度远远高于现有电路分析方法。

Description

一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法
技术领域
本发明涉及电路系统状态方程的修改方法，具体涉及一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法。
背景技术
当电路中存在理想开关时，开关状态的切换会引起电路拓扑的变化。常用的节点分析法在处理开关动作时，需要增加一个新的节点(开关断开时)，或将两个节点合并(开关闭合时)，将引起电路中节点数的变化，需要重新列写电路方程。理论上讲，当电路中有n个开关时，最多存在2n种电路拓扑，列写这些不同拓扑的方程，将带来非常大的工作量。
发明专利“一种电路网络状态方程的列写方法”给出了一般线性电路系统状态方程的列写方法。在此基础上，本专利将理想开关也作为一个基本电路元件引入到电路网络分析中：以求在不改变电路节点数，不改变电路方程整体特性的前提下，在开关动作前电路拓扑的方程基础上，修改开关支路信息，形成开关动作后电路拓扑的方程。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，本发明的方法根据电路中理想开关的闭合、断开状态修改电路状态方程。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
(1)列写电路的系统状态方程；
(2)将电路中的理想开关等效为基本的支路元件；
(3)对电路的系统状态方程进行修改。
进一步地，所述步骤(1)中，电路的系统状态方程表达式如下：
其中：是N阶列向量，每一个元素值代表对应节点的电位；KC是电容系数矩阵；KR是电阻系数矩阵；KL是电感系数矩阵；Is是电路中的输入向量，代表电路中的电源。
进一步地，所述步骤(2)中，电路中的理想开关等效为基本的支路元件，对于连接在两节点之间的支路元件，电路中的理想开关存在闭合和断开两种状态：当理想开关闭合时，其两端的电压为零；而当其断开时，其中流过的电流为零；
当理想开关处在闭合状态时，用0V理想电压源来限定开关两端的两个等电位的节点，其诺顿等效电路是一个趋于零欧姆的电阻并联一个0A的电流源，即采用趋于零欧姆电阻的诺顿电流源等效0V理想电压源；
当理想开关处于断开状态时，两个节点之间的联系被切断，不需要进行任何约束。
进一步地，所述步骤(3)中，若连接在两个节点之间的开关在开关动作时刻发生动作，则在开关动作时刻t0,修改式①中的电阻系数矩阵KR；使用式②对电路的系统状态方程进行修改，式②表达式如下：
其中，Turn On表示理想开关在t0时刻开通；Turn Off表示理想开关在t0时刻断开；除Kr(i,i)＝Rs -1，Kr(i,j)＝-Rs -1，Kr(j,i)＝-Rs -1和Kr(j,j)＝Rs -1以外，Kr中的其他元素均为零，0V理想电压源内阻Rs趋于零；KR,+是开关动作前的电阻系数矩阵，KR,-是开关动作后的电阻系数矩阵；Kr是一个N阶矩阵，Kr(i,i)表示矩阵中第i行，第i列的元素；Kr(i,j)表示矩阵中第i行，第j列的元素；Kr(j,i)表示矩阵中第j行，第i列的元素；Kr(j,j)表示矩阵中第j行，第j列的元素；
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1.本发明在开关处于闭合状态时采用0V理想电压源来限定开关的两个端点等电位，而不是将两个端点合并成一个节点，这样就有可以保证任何时刻时系统中的节点数都是一样的，不需要改变系数矩阵的维数，不需要重新列写矩阵方程，可以有效的节约计算时间。
2.本发明所述方法能够保证系统状态方程完整性，当一个开关动作时，仅需要对电阻系数矩阵中的四个元素进行操作，可以有效节约计算时间。
附图说明
图1是本发明提供的根据开关状态修改电路网络状态方程的方法的流程图；
图2是本发明提供的理想开关支路的闭合/断开状态示意图，其中(a)为理想开关支路的闭合状态；(b)为理想开关支路的断开状态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明提供一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，其流程图如图1所示，包括下述步骤：
(1)列写电路的系统状态方程；
对一个由电阻、电容、电感以及电源等基本元件组成的电路，列写如式①所述的电路的系统状态方程，表达式如下：
其中：是N阶列向量，每一个元素值代表对应节点的电位；KC是电容系数矩阵；KR是电阻系数矩阵；KL是电感系数矩阵；Is是电路中的输入向量，代表电路中的电源。
(2)将电路中的理想开关等效为基本的支路元件；
将电路中的理想开关作为一种基本的支路元件来考虑，作为连接在i号和j号节点之间的支路元件来讲，理想开关存在如图2所示的闭合和断开两种状态。当开关处在(a)闭合状态时，i号节点和j号节点的电位相等，相当于一个0V的电压源连接在两节点之间，其诺顿等效电路是一个趋于零欧姆的电阻并联一个0A的电流源，即采用趋于零欧姆电阻的诺顿电流源等效0V理想电压源；
使用电容伴随电流源或电感伴随电流源来等效理想电压源。
而当开关处于(b)断开状态时，两个节点之间的联系被切断，不需要进行任何约束。
(3)对电路的系统状态方程进行修改：
若连接在i，j两个节点之间的开关在t0时刻发生动作，则在t0时刻修改①中的电阻系数矩阵KR，使用式②可以快速地完成系数矩阵的修改，不需要对原有电路方程进行分解和重新生成，可以有效节约计算时间。
其中，Turn On表示理想开关在t0时刻开通；Turn Off表示理想开关在t0时刻关断；除Kr(i,i)＝Rs -1，Kr(i,j)＝-Rs -1，Kr(j,i)＝-Rs -1和Kr(j,j)＝Rs -1以外，Kr中的其他元素均为零，理想的0V电压源内阻Rs趋于零。KR,+是开关动作前的电阻系数矩阵，KR,-是开关动作后的电阻系数矩阵；Kr是一个N阶矩阵，Kr(i,i)表示矩阵中第i行，第i列的元素；Kr(i,j)表示矩阵中第i行，第j列的元素；Kr(j,i)表示矩阵中第j行，第i列的元素；Kr(j,j)表示矩阵中第j行，第j列的元素；
本发明给出了一种根据电路中理想开关的闭合、断开状态修改电路状态方程的方法。与传统的电路分析方法相比，本发明不需要重新生成电路方程，仅需要对发生开关状态切换的支路进行修改，因此计算速度远远高于现有电路分析方法。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)列写电路的系统状态方程；
(2)将电路中的理想开关等效为基本的支路元件；
(3)对电路的系统状态方程进行修改。
2.如权利要求1所述的根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，电路的系统状态方程表达式如下：
其中：是N阶列向量，每一个元素值代表对应节点的电位；KC是电容系数矩阵；KR是电阻系数矩阵；KL是电感系数矩阵；Is是电路中的输入向量，代表电路中的电源。
3.如权利要求1所述的根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，电路中的理想开关等效为基本的支路元件，对于连接在两节点之间的支路元件，电路中的理想开关存在闭合和断开两种状态：当理想开关闭合时，其两端的电压为零；而当其断开时，其中流过的电流为零；
当理想开关处在闭合状态时，用0V理想电压源来限定开关两端的两个等电位的节点，其诺顿等效电路是一个趋于零欧姆的电阻并联一个0A的电流源，即采用趋于零欧姆电阻的诺顿电流源等效0V理想电压源；
当理想开关处于断开状态时，两个节点之间的联系被切断，不需要进行任何约束。
4.如权利要求1所述的根据开关状态修改电路网络状态方程的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，若连接在两个节点之间的理想开关在开关动作时刻发生动作，则在开关动作时刻t0,修改式①中的电阻系数矩阵KR；使用式②对电路的系统状态方程进行修改，式②表达式如下：
其中，Turn On表示理想开关在t0时刻开通；Turn Off表示理想开关在t0时刻断开；除Kr(i,i)＝Rs -1，Kr(i,j)＝-Rs -1，Kr(j,i)＝-Rs -1和Kr(j,j)＝Rs -1以外，Kr中的其他元素均为零，0V理想电压源内阻Rs趋于零；KR,+是开关动作前的电阻系数矩阵，KR,-是开关动作后的电阻系数矩阵；Kr是一个n阶矩阵，Kr(i,i)表示矩阵中第i行，第i列的元素；Kr(i,j)表示矩阵中第i行，第j列的元素；Kr(j,i)表示矩阵中第j行，第i列的元素；Kr(j,j)表示矩阵中第j行，第j列的元素；
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