跳转到内容

电路理论/联立方程/例3

来自维基教科书,开放的书籍,开放的世界
在此添加标题
在此添加标题

问题是根据下表找出电路中未知电流。每个电阻的阻值未知(尽管它们都标为100欧姆)。

该电路被标上了电流表,但其中一些缺失。有四种情况需要计算。

情况
情况1 1 2 1 3
情况2 0 1 2 1
情况3 -1 1 -1 1
情况4 4 7 3 9

存在回路,但没有电源,所有电阻值都相同。没有足够的信息来分析回路。电路本身带有电流标签和方向,但没有电压。看起来我们只能根据表中信息来解决这个问题。

有四个节点,可以生成3个方程。有两个平凡节点,串联元件有不同的电流标签。一个平凡节点的电流方向相反!这意味着需要为一个平凡节点写两个方程,总共五个方程。

方程计数

[编辑 | 编辑源代码]

第一步是列出变量,以及它们是已知量还是未知量。问题在于有四种情况,已知量和未知量是不同的电流。这意味着这里实际上有四个问题。










需要找到 9 个电流。5 个方程式意味着我们需要 4 个电流的值才能找到其他 9 个。好的,我们可以解决这个问题。

端点方程式

[edit | edit source]

电阻值都是未知数。写出 9 个端点方程式将增加 18 个未知数。所以现在总共有 27 个未知数和 14 个方程式。

回路方程式

[edit | edit source]

有四个回路可以得到四个额外的方程式。这样我们就有了 18 个方程式和 27 个未知数。如果给定四个电流的明确值,这将使我们减少到 23 个未知数。我们距离能够计算所有东西还有 5 个未知数!

节点方程式

[edit | edit source]






解方程式

[edit | edit source]

代数

[edit | edit source]
代数解法……庞大、混乱、难以检查,没有规律

代数解法庞大、混乱、难以检查,而且不能激发任何人的兴趣。代数很容易从人的大脑中流出,落在纸上,并在那一刻对作者有意义。但一年后,即使是作者也会宁愿重新做代数,也不愿让自己的大脑去思考它。其他人看到这个要么感到畏惧,要么会对自己说,我宁愿自己做,也不愿试图去弄明白它。

微分方程式

[edit | edit source]

这个问题中没有,但这门课的四分之三时间都在讲解这种复杂电路,使用电容和电感器代替电阻,并考察微分方程式。

符号计算

[edit | edit source]
Wolfram Alpha
[edit | edit source]

无法让 Wolfram Alpha 工作。尝试了 5 个方程式和 5 个未知数,以符号形式。

solve[{k_1+k_2=0,k_6-k_7=0,k_2-k_3-k_4-k_5-k_6=0,k_8+k_4-k_9=0,k_1+k_3-k_8=0}{k_2,k_3,k_5,k_7,k_8}]

尝试用 进行替换,以减少方程式数量。

solve[{k_2-k_3-k_4-k_5-k_7=0,k_8+k_4-k_9=0,-k_2+k_3-k_8=0}{k_2,k_3,k_5,k_7,k_8}]

仍然出现错误消息。放弃。Wolfram Alpha 试图做到这一点,这真是太棒了。接下来尝试了“elvis pressley's eye color ... with trial "pro" version”。Wolfram Alpha Pro 表示埃尔维斯唱过一首名为“Spanish Eyes”的歌曲。

MuPad
[edit | edit source]
文件:Ex3-4.png
MathWorks MuPAD 解法案例 1.. 点击 这里 获取要剪切和粘贴的文本.. MuPad 解法包含变量解法、符号解法
文件:Ex3-5.png
MathWorks MuPAD 解决方案案例 2。点击 这里 获取可复制粘贴的文本。MuPAD 解决方案包含变量解和符号解。
文件:Ex3-6.png
MathWorks MuPAD 解决方案案例 3。点击 这里 获取可复制粘贴的文本。MuPAD 解决方案包含变量解和符号解。
文件:Ex3-7r.png
MathWorks MuPAD 解决方案案例 4。点击 这里 获取可复制粘贴的文本。MuPAD 解决方案包含变量解和符号解。

MuPAD 需要为这四个案例分别运行一次。

实际的 MuPAD 语法只需要输入一次,然后修改三次。

每次只需要修改需要求解的变量以及保持不变的变量。

与 MatLab 要求的为每个案例构建和输入 5x5 矩阵和 1x5 矩阵相比,这并不是很多工作。

数值解

[编辑 | 编辑源代码]
文件:Ex3-8.png
案例 1 的 MatLab 矩阵输入,五个未知数的线性代数问题。点击 这里 获取可复制粘贴的文本。

这里只设置并使用 MatLab 完成第一个案例。代数结果与 MuPAD 一致。作者相信,如果需要,您可以弄清楚如何在 MatLab 中完成其他三个案例。

困难之处在于设置线性方程,而不是在 MatLab 中输入。设置解决方案的步骤

  • 将已知值代入方程





  • 将方程整理,使未知数位于列中,数字位于等号右侧。





  • 创建两个矩阵,一个方阵,另一个是包含等号右侧数字的列向量。
=
  • 将矩阵输入 MatLab 或类似程序

第一行使用 MatLab 完成。其他行来自 MuPAD 和代数运算。

情况
情况1 1 -1 0 2 -4 1 1 1 3
情况2 0 0 1 2 -4 1 1 1 3
情况3 0 0 -1 1 -1 1 1 -1 0
情况4 4 -4 7 -2 -12 3 3 11 9

模拟

[edit | edit source]

无法进行模拟。没有电源,信息不足。

建立直觉

[edit | edit source]
  • 这是一个正向电路设计的示例。给定一个模糊的要求,开始探索可能性。
  • 电流方向可以是任何方向。它们捕获了电路拓扑的一部分,从而自身产生了一些约束。
  • 符号代数(MuPAD)在正向工程设计过程中变得更加有用。
华夏公益教科书