电网络-第六章信号流图

第六章网络函数与稳定性 6 3信号流图 分析和求解线性方程组的一种方法 P243 信号流图 SFG SignalFlowGraph 信号流图表示信号的流动 是由节点和支路组成的加权有向图 信号流图用于线性网络或系统的分析 求解 它可以完全对应一个线性方程组 系统或网络 图中的每个节点对应着线性方程组的某一常量或变量 加权支路对应相应 方程组 的系数 从而把线性方程组的变量描述为沿支路方向流动的信号 信号流图 把线性方程组的代数变换转化为信号流图的变换 因而提供了一种通过对信号流图的观察和约简求解线性方程组的方法 从简单例子引入信号流图 感性认识 如果把每个方程的左边的量看成是在相应右端量 输入 作用下的输出 则可画出下面的图 注意 只能加到源节点 该支路加到混合节点不成立 优点 对稀疏方程求解不方便 对方程组系数均为数值的并不比其它的求解方法更优越 甚至更复杂 形象 直观 对符号形式的传递函数 网络函数 较为方便有效 缺点 基本术语 P243 1 输入 输出支路 离开节点xk的支路称为节点xk的输出支路 指向xk的支路称为xk的输入支路 e 输出支路说明图 只有输入支路的节点称为汇节点 输出节点 输入支路说明图 只有输出支路的节点称为源节点 图中只有x1是源节点 既有输入支路又有输出支路的节点称为混合节点 图中除x1外均为混合节点 2 支路增益 传输 每条支路都有一个权值 称为支路增益或支路传输 表示信号xk沿箭头方向前进 乘以支路增益Tjk传到xj节点 3 源节点 发点 仅有输出支路的节点 又称为输入节点或发点 4 汇节点 收点 仅有输入支路的节点 又称为输出节点或收点 既有输入又有输出节点的称为混合节点 由前面的SFG可知源节点和汇节点均可通过添加权值为1的输入 输出支路变为混合节点 例如 输出节点 输入节点 混合节点说明图 5 有向路 通路 从任一节点出发沿着支路方向连续穿过各相连支路到达另一节点的路径 节点和支路只通过一次 所有支路与路的方向一致 6 前向路 通路 从源节点到汇节点的有向路 7 有向回路 起点与终点相同的有向路 也即所有支路的方向与回路方向一致的一个回路 仅有一条支路构成的回路称为自环 前向路 通路 说明图 有向回路说明图 8 路径增益 一条有向路中各支路增益的乘积 用p表示 前向通路的路径增益说明图 P2 bd 1 P1 ace 1 9 回路增益 有向回路中所有支路的增益乘积 用L表示 有向回路增益说明图 L2 cef L1 dgp L3 h L4 cd L5 gf 10 非接 切 触回路 若干个有向回路之间没有公共节点的回路 若两个回路不接触时称为不接触二重 阶 回路 n个回路不接触时称为不接触n重 阶 回路 非接触回路说明图1 d 非接触回路说明图2 共有两个不接触二重 阶 回路 abgh cdef 共有8个回路 ab cd ef gh aehd bcgf keh kbc 显然没有不接触三重 阶 以上回路 11 非接 切 触回路增益 不接 切 触回路中所有支路的增益之积 非接触回路增益说明图1 不接触二重回路增益为 eph 如图1流图的回路 ep 与自环 h 为不接触二重回路 其增益为 eph 如图2流图的回路 ab gh dc fe 为不接触二重回路其增益为 abgh dcfe d 非接触回路增益说明图2 不接触二重回路有两对其增益分别为 abgh dcfe 2 信号流图的基本性质 P243 齐次性 信号流图中的信号只能沿支路箭头方向传输 单向有效 支路的作用是处理信号 支路的输出是该支路的输入与支路增益的乘积Y TX 可加性 节点的作用是将输入到节点的信号求和 并通过节点的输出支路把信号分配给其它的节点 上面的分析表明 给定一个线性代数方程组画信号流图 对应的信号流图不唯一 但其解是唯一的 例6 1画出如下方程组的信号流图 其对应的信号流图为 这正是左图消去自环后的信号流图 可见消去自环时 所有输入到有自环节点的支路增益均乘以 这正是信号流图变换中消去自环的变换规则 4 网络 电路 的信号流图 信号流图与一组线性代数方程组对应 要得到其对应的流图 就要先找到相应的线性代数方程组 下面就来解决这个问题 解 1 分析 信号流图与一组线性方程组对应 前面的分析表明给定一组线性方程组 其解唯一 其信号流图不唯一 系统化建立网络方程的方法都是选变量 列方程 如支路电流法 回路电流法 节点法 含MNA 端口分析法 混合分析法和稀疏列表法等等均可建立网络方程 理论上任何一组独立的网络方程均可以用于画信号流图 只要待求量以输出方程的形式出现在流图中即可 为简单方便自然希望方程的个数尽量少 因此下面我们采用与混合分析法类似的方法处理 方程的独立性 其系数行列式不等于零 det A 0 变量的独立性 对于一个系统或网络同类变量中个数最少的一组变量 变量的完备性 对于一个系统或网络任何一个待求量都可以用这组变量的组合表出 对一个有b条支路n个节点的网络 电路 节点电压 树支电压 n 1 个 是一组完备 独立变量 回路电流 连支电流 b n 1 个 是一组完备 独立变量 它们是b维线性空间的两个正交子空间 2 网络方程的建立方法 目前的一个研究热点小波变换的多尺度分析中的 小波变换 和 平滑分量 就是其两个正交子空间 因而可以构成整个线性空间的直和分解 进而构成Mallat金字塔算法 经过上述分析 兼顾方程个数较少和便于系统化处理两方面 我们选树支电压和连支电流为变量 且每个元件为一条支路 1 选树 独立电压源和受控电压源选为树支 压控源的控制量选为树支 独立电流源和受控电流源选为连支 流控源的控制量选为连支 如果网络中含动态元件电容选为树支 电感选为连支 电阻既可为树支又可为连支 2 列方程 把未知的树支电压 用连支电流和其它树支电压表出 把未知的连支电流 用树支电压和其它连支电流表出 具体为如下三步 对含未知量的单连支回路 把未知的连支电流 用树支电压表出 对含未知量的单树支割集 把未知的树支电压 用连支电流表出 如果网路中的输出量既不是树支电压又不是单连支电流 则把该输出量用树支电压和连支电流表出 输出方程 3 受控源的处理 先处理 按1 2 直接在列方程时化简 后处理 先把受控源当做独立源处理画出信号流图 然后在信号流图中按受控源的VAR改画 下面我们通过几道例题 说明从网络做出信号流图的方法步骤 例6 3图示电路中输出量为U2 U4 做出该电路的信号流图 解 1 选黑线为树支 红线为连支 2 列方程 对C1割集 对C2割集 对l1回路 对l2回路 3 整理方程 没有受控源要处理 没有需要专门处理的输出 4 做出信号流图 例6 4做出图示电路的信号流图 解 1 选黑线为树支 红线为连支 选U1 U4 I2 I3为未知量 变量 对C1割集 对C2割集 对l1回路 对l2回路 其中 2 列方程 3 整理方程 消去受控源 4 做出信号流图 处理方法一 解 对C1割集 对C2割集 对l1回路 对l2回路 处理方法二 消去 gU1 节点 解 1 先假设为零状态 选黑线为树支 红线为连支 则有 其信号流图为 一般电感用并联模型 电容用串联模型 例如 对非零状态 有 2 考虑非零状态 画出相应的复频域等效电路 仍用前树 与零状态方程对比 每方程多了一个等效 激励 输入 如果哪一个为零状态 该项置零 因此 此时的信号流图 只在零状态信号流图上增加一个输入 这正是处理非零状态动态网络信号流图的有效方法 因为原来I1 U2已选为待求量 只需把输入和约束关系加入即可 解 此类题目的解法为 多口网路方程 端接 约束 方程 需要注意变量的数目是否足够 输出量是否在流图上 5 信号流图的等效化简 约简规则 1 合并串联支路 2 合并并联支路 3 消去节点 保证所有经过消去节点的有向路增益不变 由Mason公式推得 不讲 a 4 消去自环 所有输入到有自环节点支路的权除以 1 自环的权 即通过信号流图的约简求出方程组的解 例6 7求图示信号的