报告6：计算机辅助的电路网络拓扑分析计算程序设计.pdf

计算机辅助的电路网络拓扑分析计算程序设计 摘 要摘 要 ：复杂电路的有关分析必须依靠计算机来完成。在如电力系统潮流分 析、电路仿真软件设计等专业领域中,依靠计算机辅助分析电路的手段是要自行 编写计算程序。在学习电路分析模型与算法问题后，我们可以初步通过应用图论 写出矩阵方程，并在之后通过矩阵运算导出电路分析方程，以高斯消去法、龙格 -库塔法等方法求得数值解。本次研究学习小组同学设计了能对拓扑分析所得矩 阵进行有关运算的程序，以期增进对所学内容的理解，缓解计算压力。 关键词关键词 ：程序设计 ；电路网络 ；拓扑计算 一主题与目的 电路的计算机辅助分析模型问题包含两个方面:(1)如何将电路的结构与参 数用计算机能够“读懂”的数字表示;(2)如何通过软件指令导出电路分析方程。 而如何通过软件指令求解方程,则是数值计算方法问题。在经过对电路的计算机 辅助分析基础章节的学习后，应用电路分析模型与算法，我们可以初步通过应用 图论写出矩阵方程，并在之后通过矩阵运算导出电路分析方程。并且有一定能力 针对线性非时变电路,讨论稳态分析模型、暂态分析模型和灵敏度计算模型，在 分析电路拓扑结构的基础上,将拓扑结构用矩阵表示,将电路的基本方程写成矩 阵形式。 但具体的矩阵计算涉及转置、 乘法等运算， 并存在多种矩阵之间的转化， 计算过程繁重且容易产生错误。为了进一步加深小组成员对所学内容的理解，缓 解计算压力，本次研究学习我们尝试协作设计计算机程序以实现对应的计算功 能，掌握节点法、节点列表法的计算机辅助分析流程,设计稳态电路分析程序。 二原理与背景 1.关于 C 语言的介绍 C 语言是一种结构化语言。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于 调试和维护。C 语言的表现能力和处理能力极强。它不仅具有丰富的运算符和数 据类型，便于实现各类复杂的数据结构。它还可以直接访问内存的物理地址，进 行位(bit)一级的操作。由于 C 语言实现了对硬件的编程操作，因此 C 语言集高 级语言和低级语言的功能于一体。既可用于系统软件的开发，也适合于应用软件 的开发。此外，C 语言还具有效率高，可移植性强等特点。C+进一步扩充和完 善了 C 语言，成为一种面向 对象的程序设计语言。C+提出了一些更为深入的 概念，它所支持的这些面向对象的概念容易将问题空间直接地映射到程序空间， 为程序员提供了一种与传统结构程序设计不同的思维方式和编程方法。 2.电路的拓扑结构 数学分支图论为描述电路的拓扑结构提供了方法。应用图论，不仅能将电路 结构变为矩阵， 还明确了列些独立 KCL 方程， 独立 KVL 方程的方法。 电路的结构， 参数都用矩阵表示后 KCL、KVL 方程，支路 u-i 关系就能写成矩阵方程，因而能 通过矩阵运算导出电路分析方程。 3.节点分析法 节点分析法以节点电位为变量列写方程。 由支路和节点的关联矩阵 A 表示的 KCL,KVL，以及支路 u-i 关系为 AIb=0 （KCL） A TU n=Ub （KVL） Ib=Yb（Ub-Usb）+Isb （u-i 关系） 从中消除 Ub、Ib得到节点分析方程，为 AYbA TU n=A（YbUsb-Isb ） 令 Yn=AYbA T，Y n就是节点导纳矩阵，其主对角线元素为节点自导纳，其他元素为 节点互导纳；令 Isn=A（YbUsb-Isb ），Isn为节点电流源列向量。节点分析方程写 为 YnUn=Isn 通过矩阵运算获得节点电位 Un的方法，称为节点方程的系统列写法。系统 列写法不适用于有电压源支路的电路，因为电压源支路的 Yk趋向于无穷，且要 预先将受控电压源转换为受控电流源。 节点分析法的程序流程如下： （1）输入电路信息：节点数 n，支路数 b，电源角频率 w，支路信息。 （2）形成表示拓扑结构的矩阵 A，表示参数的矩阵 Yb、Usb、Isb，并记录节点与 支路顺序。 （3）计算节点导纳矩阵 Yn、节点电流源列向量 Isn。 （4）求解节点分析方程 YnUn=Isn （5）计算支路电压、电流 支路信息包括：支路编号、支路的起始节点编号和终止节点编号，支路的阻抗或 导纳元件参数、电压源和电流源的数值以及支路和其他支路的耦合情况。 三程序设计 1.程序规范化约定 （1）基本原则 第三方库单独放在一个文件夹内 头文件与源文件单独放置 如有特别需要，如框图、word 文档、图片等与该项目相关的文件共同放入一 个文件夹 ? （2）版权声明 位置：位于说明文件或者源文件头部，或者源文件和头文件都加上版本声明 内容：版权、文件名，概要；版本号-作者-日期+代码更新信息，备注信息 ? （3）代码排版布局要求 起始代码缩进 大括号对齐 独立模块间空行的设立 单行单语句 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） （4）注释规范要求 及时撰写注释 注释语句一般位于代码正上方或右方 需要注释的内容一般有：有意义的常量、变量、宏；结构体的声明；大模块的 开始与结束 （5）标识符的命名规范 含义准确且简短，不要出现中文缩写或者中文拼音 全局变量名由组内成员共同商讨得出 关于宏的变量以一个下划线开头并全部大写 ? 2.第三方库的介绍 百度搜索Eigen库并找到官网或进入此链接： http:/eigen.tuxfamily.org/index.php?title=Main_Page ? 3.程序介绍 代码见.txt 文件，执行程序为.exe 相关约定：不出现纯电压源支路与受控电压源，出现了应当人为等效为电流源。 元件类型表示：0电阻 R，1导纳 G，2电容 C，3电感 L，4，5，6 耦合类型：00 无无耦合，1CCCS，2VCCS，3M 互感，4，5，6 相位表示：角度制 代码分为一下几个部分： 相关参数的输入（c+基本内容） 从相关参数中获取相关矩阵（电路理论高级篇上有介绍） 矩阵运算并输出（Eigen 库中有介绍） 图 3.1 程序输入界面 图 3.2 程序输出界面 四实验小结 优点：我们程序能够通过用户输入相应的数据较快的计算电路的节点电位， 同时还能显示 A 矩阵，Bf 矩阵。 不足：它不能计算带有电压源电路和受控电压源电路，受控电压源电路需要 用户先计算转化为电流源电路才可以计算。 ? 本次综合实验，使我对电路理论这门课程有了更深入的理解。电路理论是一 门不仅仅是一门理论学科，它也可以运用于实践。为了学好这门课程，必须在掌 握理论知识的同时，加强实践。 在本次计算机辅助的电路理论拓扑计算程序设 计中，我明白了理论与实际应用相结合的重要性，并提高了自己组织数据及编写 大型程序的能力。培养了基本的、良好的程序设计技能以及合作能力。这次设计 同样提高了我的综合运用所学知识的能力。 设计实验一方面能使书本上的知识变 “活”，起到深化理解和灵活掌握教学内容的目的;另一方面，是对学生软件设 计的综合能力的训练，包括问题分析，总体结构设计，程序设计基本技能和技巧 的训练。 在电路理论的学习过程中， 必须严格按照老师的要求， 主动地、 积极地、 认真地做好每一个步骤，以不断提高自己的编程能力与专业素质。通过这段时间 的综合实验，我们培养实际分析问题、编程和动手能力，使我掌握了程序设计的 基本技能，提高了我适应实际，实践编程的能力。总的来说，这次课程设计让我 获益匪浅，让我学到了在平时课堂不可能学到的东西。所以我对每一次的机会都 非常珍惜。不一定我的程序能够完成得有多么完美，但是我总是很投入的去研究 去学习。 ? 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）