基本电路理论
上海交通大学本科学位课程
2003年 7月
§ 1.3 从网络到图
1、网络图论概论
图论是数学领域中一个十分重要的分支,这
里所涉及的只是图论在网络中的应用,称网
络图论。网络图论也称网络拓扑。
为在计算机上系统地列出一个复杂网络的方
程以便分析,就要用到网络图论和线性代数
的一些概念。
随着计算机的发展,网络图论已成为计算机
辅助分析中很重要的基础知识,也是网络分
析、综合等方面不可缺少的工具。
2、图及其概念
图论是数学家欧拉创始的。 1736年欧拉解
决了有名的难题,肯尼希堡城七桥问题。
该镇的普雷格尔河中有两个小岛,共有七
座桥与两岸彼此连通,问题:从陆地或岛
上任一地方开始,能否通过每座桥一次且
仅仅一次就能回到原地。
ABCD
欧拉用顶点表示陆地区域,用联接相应顶点
的线段表示各座桥(如左图),于是七桥问
题就变为一道数学问题:在左图中是否可能
连续沿各线段,从某一始点出发只经过各线
段一次且仅仅一次又回到出发点,即是否存
在一条“单行曲线”。
?ABCD
欧拉得出了一般结论,即存在
单行曲线的必要、充分条件是
奇次顶点(联接于顶点的线段
数为奇数)的数目为 0。显然
右图不满足此条件,因此,七
桥问题的答案是否定的。
在七桥问题中,欧拉用点表示陆地,用线段
表示桥。图论中,把一些事物及其之间的联
系用点和连接于点与点之间的线段来表示,
因此,图就是一些点与线段的集合 。
?ABCD
网络图论中的一条标准支路,
①1② ③④23456① 1② ③④23456
Skiki Skvkvkr???Skiki Skvkv kg???
()
()
k S k k k S k
k k k S k S k
v v r i i
v r i i v
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? ? ?
()
()
k S k k k S k
k k k S k S k
i i g v v
i g v v i
? ? ?
? ? ?
在网络图中,将支
路用线段表示,支
路间的连接用点表
示。
右图网络的网络图中包含有两个独
立部分。虽然网络中存在互感,但
在网络图中并不反映出磁耦合 M,
因为 M属于网络中支路的特性,而
不属于网络图的性质。
M
一个网络图可以有多个独立部分。 ?
左面两个图,上面的图中包含有一
个单独节点,下面的图中有一条支
路的两端终止在同一个节点上,称
“自环”。这些情况都属于图,但
对“自环”图,将不作讨论。
网络图:一组节点和一组支路的集合,且
每条支路的两端终止在两个节点上(排除
了, 自环, 情况)
有向图:若图中的一组支路
都标有方向,则这样的图称
有向图。
① 1② ③④23456
子图:存在网络图 G,若 G1中的每个节点
和每条支路就是 G中的节点和支路,则 G1
是 G的子图。也即若存在图 G,则可从 G中
删去某些支路或某些节点,得到子图 G1。
连通图与非连通图:当图 G的
任意两个节点之间至少存在着
一条由支路构成的通路,这样
的图就称连通图,如左上图,
否则就是非连通图,如左中图
和左下图所示。
① 1② ③④23456?
一个连通图也可以说成是一
个独立部分,一个非连通图至
少有两个独立部分,而每个独
立部分又是一个连通的子图。
回路:回路是一条闭合的路
经。确切地说,有图 G,存
在一个子图 G1,
① G1是连通的,
② G1中与每个节点关联的支
路数恰好是 2条。
对每个回路,可根据 KVL,
写出 Σv=0 的回路方程。
树:一个连通图 G的一个子图,如果满足下
列条件就称为 G的一棵树,① 连通的,② 没
有回路,③ 包括 G的全部节点。
构成树的支路称树支,其余的
支路称连支。右图中 1,2,3号
支路与所有节点构成树 T,4,5、
6号支路为连支。
514236
左图中 2,4,6号支路与全部节
点构成树 T,1,3,5号支路为
连支。
514236
同一个图 G,可选择不同的树。设图 G有 n
个节点,如果任意两个节点之间都有一条
支路联接,则可选出 nn-2个不同的树。 514236
右图中有 n= 4个节点,所以可
找到 42=16种树(树数的一般计
算式子为 detAAT,其中 A为图
的降阶关联矩阵)。
割集:割集是一组不包括节点的支路集
合。有一连通图 G,存在一组支路集合,
如果留下任一支路不取掉,则剩下的图
仍然是连通的,换言之,割集是一极小
支路集。 51
4236?
高 斯 面 取走割集将使连通图分成两个独立部分,可以抽象地用高斯面(闭合面)将某一独立部分包围起来,由高斯面所切割的
一组支路,就是割集。
左图所示高斯面切割的 1,4,5号支路构成割集。
在网络图中,可以将闭合面看作一个广义
节点。根据 KCL,流出或流入高斯面的支
路电流的代数和为零,即流经一组割集的
电流的代数和为零 ? Σi=0
闭合面如何封闭是任意的(这主要是观察
位臵不同,若在图内观察,则高斯面把圈
外部分闭合),封闭面一旦闭合,一般以
流出高斯面的电流为正,流入为负,因此
也可认为割集有方向,一般取由闭合面里
面指向外面为正方向。
有些图,某些割集不能用高斯面表示,如下左图
中的 1,2,3,4号支路就不能用高斯面切割,这
时可改变一下图的画法。 3124 3
124
有些图,与高斯面相交的支路集不是割集。如下
图中的支路 1,2,3,4,当这些支路取走后,将
出现三个独立部分。一般来说,如果图 G具有 S个
独立部分,取走一组割集后,图所应具有 S+1个独
立部分。 3124
3、图论的基本定理
若给定一个具有 nt个节点,b条支路的连通
图 G及 G的一个树 T,
在 G的任何两个节点之间,总有由 T的树支
组成的唯一路经。
若不考虑根节点(或起始节点),每条树
支都有一个终止节点,则树支数 n=nt-1,
连支数 l=b-( nt-1)=b-nt+1
每条连支都可以和一些树支构成一个唯一
的回路( ∵ 树本身没有回路,增加一条连
支,就可得一个回路),即 l= b-nt+1个回
路,并称单连支回路(也称基本回路)。
每条树支都可和一些连支构成一个唯一的割
集,共有 n=nt-1个单树支割集(基本割集)
( ∵ 树本身是连通的,当取走一条树支后,
树就分成两个独立部分,∴ 一条树支和一些
连支能构成一个割集)
一个网络的网络图有 nt-1个基本割集,运用
KCL可得 nt-1个独立的基本割集方程。
一个网络的网络图有 b-nt+1个基本回路,由
KVL可得 b-nt+1个独立的基本回路方程。
每条支路都有一个支路约束方程,b条支路
就有 b个约束方程。
因此,一个网络总共可以有 2b个独立方程。
对每条支路来说,涉及两个网络变量,ik和
vk,共有 2b个变量。
由于独立方程数和网络变量数相等,完全
可由 2b个独立方程求出 2b个未知变量。
§ 1.4 KCL,KVL的矩阵形式
1,KCL的矩阵形式(系统分析方法)
右上图所示为一个直流电阻
网络 N,可得其拓扑图,如
右下图所示。
1i2i 3g4g5g5i2g1Sv i 5Si3i① ??1g② ③④ 51423① ② ③④
从拓扑图中知,支路 1与节点
① 和节点 ④ 关联,支路 2与节
点 ① 和节点 ② 关联,…,由
此可以得到一个节点对支路
的关联矩阵 Aa
关联矩阵 51
423① ② ③④
由左图,根据 KCL,对每个
节点列方程。
12
234
45
1 3 5
0
0
0
0
ii
i i i
ii
i i i
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? ? ? ?
? ? ?
? ? ? ?
1
2
3
4
5
1 1 0 0 0 0
0 1 1 1 0 0
00
12
0 1 1 0
10
3
0 1 0
5
1
4
i
i
i
i
i
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AaIb=0
1
k
k
k
ik
b
b
b
a
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?
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?
?
节 点 与 支 路 关 联, 参 考 电 流 流 出
节 点 与 支 路 关 联, 参 考 电 流 流 入
节 点 与 支 路 无 关 联0
??
?
- 1
Aa矩阵描述了图中节点对支路的关联关系,即 Aa=(aik)
就每条支路而言,电流总是从一个节点流入,从
另一个节点流出,所以关联矩阵的每一列总有两
个非零元素,一个是正 1,一个是负 1。因此,把
Aa的全部行加起来将得到一行全为零,就是说,
Aa的所有行不是线性独立的。
51423① ② ③④ 12
3
4
5
1 1 0 0 0 0
0 1 1 1 0 0
00
12
0 1 1 0
10
3
0 1 0
5
1
4
i
i
i
i
i
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? ? ? ???
?
? ? ? ??? ?
? ? ? ?? ??
? ? ? ???? ? ? ?
???? ? ? ?
??
??




AaIb=0
就电路方程组而言,只要把四个方程任意划去一
个,剩下的三个方程就是线性无关的。因此,就
Aa而言,只要划去任一行,所得矩阵就是线性独
立的。
∴ 对 nt个节点,b条支路的拓扑图而言,可
得 nt?b阶关联矩阵 Aa,Aa的秩为 nt-1
在关联矩阵 Aa中,任意划去一行,得矩阵
A,其秩仍为 nt-1,A称为降阶关联矩阵。
对电网络来说,总是把与参考节点对应的
行划去,同样可得矩阵方程,AIb=0
已知一网络图,可以求得 Aa或 A。同样,
如果知道了 Aa或 A,也一定可得网络图。
1 1 1 1 0
0 0 0 1 0
1 1 0 0 1
0 0 1 0 1
1 2 3 4 5
a
A
???
??
?
?
????
???




① ② ③ ④2345
如果已知降阶关联矩阵 A,则先根据 Aa中
每列有两个非零元素,且一个为 1,另一
个为 -1的性质,求得 Aa,再求有向图。
设 e1,e2,e3,e4为节点电位,v1、
v2,v3,v4,v5为支路电压,并选
择节点 ④ 为参考节点,即 e4=0。根
据 KVL可得支路电压与节点电位
间的关系。
Vb=ATEn
2,KVL的矩阵形式(系统分析方法) 51423① ② ③④
11
2 1 2
32
4 2 3
53
ve
v e e
ve
v e e
ve
?
??
?
??
?
1
21
32
43
5
1 0 0
1 1 0
0 1 0
0
1
2
3
4
5
11
0 0 1
v
ve
ve
ve
v
?? ??
?? ??
? ??
?? ??
??
?? ???
??
?? ?? ??
? ??
?? ??
????
????
① ② ③
§ 1.5 特勒根定理
特勒根定理是网络中最普遍的定理,它的不
寻常之处在于,特勒根定理的导出只依据基
尔霍夫两条定律,因此,不论元件的性质如
何,激励的种类如何,特勒根定理总是成立
的。
特勒根定理是特勒根于 1952年正式提出的。
特勒根定理是可以应用于非线性网络、时变
网络的少数几个定理中的一个。
对于具有 n个节点,b条支路的网络,假定
支路电压、支路电流取一致参考方向,网
络中的支路电压向量 Vb=(v1,v2,…,v b)T,支
路电流向量 Ib=(i1,i2,…,i b)T 分别满足 KVL和
KCL,则
特勒根定理证明,
0TbbVI ?
若电路降阶关联矩阵为 A,则根据 KVL有
TbnV A E?
对上式两边转臵 TT
bnV E A?
两边右乘 Ib得 TT
b b n bV I E A I?
根据 KCL有 AIb=0
1
00
b
T
b b k k
k
V I v i
?
? ? ??或
Vb和 Ib并不要求是同一时刻的值
1 2 1 2
1
( ) ( ) 0 ( ) ( ) 0
b
T
b b k k
k
V t I t v t i t
?
?? ?
Vb和 Ib可以从不同网络中测量得到,只要两个
网络的结构相同,且不论各支路中的元件性质
是否相同,即对 N有 Vb,Ib;对 有, 则 ?N ?
bV ?bI
1
? ?00
b
T
b b k k
k
V I v i
?
?? ?
1
? ?00
b
T
b b k k
k
V I v i
?
?? ?
1
0,0
b
T
b b k k
k
V I v i
?
??? 可理解为各支路吸收的瞬时功率之
和为 0,即功率守恒,但它适用于结构相同的不
同网络,所以称似功率守恒定律。