节点电压法-自编的迷你spice资料整理

1万 · 2021-8-14 15:19

去年，king5555发了个5段RC均衡器，经分析，解析计算不太可能，目前没找到。因此转向数值分析。电路图如下

即计算机根据给定的条件，计算机根据穷举或随机弄几个组合让计算机去猜（当时的想法），其中涉及到电路的求解。
这个minispice就是用于求解节点的电压。这个5段RC均衡器有很多节点，经推导代数式，失败。只好用数值分析。
节点电压法我就不码字了，就直接截图。《电路》邱关源第五版P70

规则为3：
1、自电导为正，即矩阵的对角线
2、互电导为负，即矩阵非对角线
3、注入电流等于流入和流出电流源的代数和

1万 · 2021-8-14 15:21

本帖最后由叶春勇于 2021-8-14 15:24 编辑

一、电路的描述
参考spice的格式，电路图描述如下：['R01',1,0,1.5e3]
第一个为元件编号，第二个为起始节点，第三个结束节点，第四个为数值，暂时只支持I，R，L，C，无方向判断

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cir=[['R01',1,0,1.5e3],

     ['R02',7,0,300],

     ['R03',8,2,15e3],

     ['R04',8,9,15e3],

     ['R05',10,9,18e3],

     ['R06',10,11,18e3],

     ['R07',11,0,39e3],

     ['R11',1,2,25e3],

     ['R12',2,7,25e3],

     ['R21',1,3,25e3],

     ['R22',3,7,25e3],

     ['R31',1,4,25e3],

     ['R32',4,7,25e3],

     ['R41',1,5,25e3],

     ['R42',5,7,25e3],

     ['R51',1,6,25e3],

     ['R52',6,7,25e3],

     ['C01',3,8,33e-9],

     ['C02',4,9,10e-9],

     ['C03',5,10,4.7e-9],

     ['C04',6,11,1e-9],

     ['C05',8,0,4.7e-9],

     ['C06',9,0,6.8e-9],

     ['C07',10,0,2.2e-9],

     ['C08',11,0,1e-9],

     ['I01',1,0,1]]

1万 · 2021-8-14 15:31

本帖最后由叶春勇于 2021-8-14 15:41 编辑

二、电路表转化成复导纳矩阵
程序流程图如下

下面四个函数用于生成符号矩阵，此时的矩阵，只保存某个节点有什么元件。

复制

##获得两个相同节点之间的所有元件，计算自电导用

def get_y1(cir,n1,n2):

    y=[]

    for e in cir:

        if(n1==e[1] or n2==e[2]):

            y.append(e)

    return y



##获得两个不同节点之间的所有元件，计算互电导用

def get_y2(cir,n1,n2):

    y=[]

    a=max(n1,n2)

    b=min(n1,n2)

    for e in cir:

        c=max(e[1],e[2])

        d=min(e[1],e[2])

        if(a==c and b==d):

            y.append(e)

    return y



##建立Y元件导纳矩阵子函数

def get_y(cir,n1,n2):

    if(n1==n2):

        return get_y1(cir,n1,n2)

    else:

        return get_y2(cir,n1,n2)



##建立Y元件导纳矩阵

def get_y_matrix(cir):

    Y=[]

    for i in range(1,12):

        YL=[]

        for j in range(1,12,1):

            YL.append(get_y(cir,i,j))

        Y.append(YL)

    return Y

1万 · 2021-8-14 15:40

此时的矩阵效果如下：
例如矩阵的1-1号节点，把端点（起始节点点或结束节点）含有1的元件，放进一个数组
例如1 1 ['R01', 'R11', 'R21', 'R31', 'R41', 'R51', 'I1']
那么1号节点连接了6个电阻，一个电流源。

矩阵的1-2号节点，把一个端点为1，另一个端点为2的元件，放进一个数组
例如1 2 ['R11']
那么1和2节点之间有一个电阻R11

最终得到一个正方形二维表。

1万 · 2021-8-14 15:45

三，根据符号矩阵，查数值，建立数值复导纳矩阵。
大致工作流程就是把符号矩阵中的元件的复导纳加起来，然后自电导为正，互电导为取负，需要给定参数频率。

复制

##从元件获得复导纳值子函数，暂时只支持RLC，转化成数值导纳矩阵用

def get_y_value_from_element(e,f):

    s=1j*2*math.pi*f

    if(e[0].startswith('R')):

        y=1/e[3]

    elif(e[0].startswith('C')):

        y=(s*e[3])

    elif(e[0].startswith('L')):

        y=1/(s*e[3])

    else:

        y=0

    ##print(e[0],e[3],y)

    return y



##从一组元件求总导纳值，转化成数值导纳矩阵用   

def get_y_value_from_elements(elements,f):

    Y=0

    for e in elements:

        Y=Y+get_y_value_from_element(e,f)

    return Y



##从元件导纳矩阵获得数值导纳矩阵   

def get_y_value_matrix(Y,f):

    YV=[]

    for i in range(1,12):

        YVL=[]

        for j in range(1,12,1):

            #自电导为正，邱关源《电路》P69

            if(i==j):

                v=get_y_value_from_elements(Y[i-1][j-1],f)

            #互电导为负

            else:

                v=-1*get_y_value_from_elements(Y[i-1][j-1],f)

            YVL.append(v)

        YV.append(YVL)

    return YV

1万 · 2021-8-14 15:50

四、最后计算5段均衡器的节点电压。
用了numpy的库，非常简单，其中1/(1.5e3)是将幅度为1V电压源转化成电流源（诺顿定理）

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##king5555的5段均衡器数值传递函数

def get_hjw(cir,f):

    Y=get_y_matrix(cir)

    display_y_syms(Y)

    YM=numpy.mat(get_y_value_matrix(Y,f))

    I=numpy.mat([[1/(1.5e3)],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0],

                 [0]])

    ##print(YM)

    V=YM.I*I

    return V

至此，完成电路从符号表到求值。通过给定频率，计算某个节点的压，让计算机检查是否符合要求。

1万 · 2021-8-14 15:56

程序输出结果：

复制

[[0.86937316]

 [0.40459092]

 [0.43641139]

 [0.44254197]

 [0.44322551]

 [0.44375548]

 [0.01829224]

 [0.35758804]

 [0.30048658]

 [0.22958955]

 [0.15727944]]

与lt-spice比对，AC分析，一个点100Hz

计算结果一样

1万 · 2021-8-14 16:05

总结：
king5555的5段均衡网络，代数式非常非常的长，代数分析基本很困难。这是在这种背景下搞出来的。
节点电压法对于复杂电阻网络是非常好的一般方法。规则简单。当然spice软件用的节点电压法是改进过的。比这个复杂。
此程序可用于复杂RLC网络的计算，如果简单那肯定是求解析式为最佳。

1万 · 2021-8-14 16:10

本帖最后由叶春勇于 2021-8-14 16:13 编辑

补，king5555的5段均衡器导纳矩阵表，其中电流源会被程序忽略，我就不编辑了。R7为电路图中RL

复制

1 1 ['R01', 'R11', 'R21', 'R31', 'R41', 'R51', 'I01']

1 2 ['R11']

1 3 ['R21']

1 4 ['R31']

1 5 ['R41']

1 6 ['R51']

1 7 []

1 8 []

1 9 []

1 10 []

1 11 []

2 1 ['R11']

2 2 ['R03', 'R11', 'R12']

2 3 []

2 4 []

2 5 []

2 6 []

2 7 ['R12']

2 8 ['R03']

2 9 []

2 10 []

2 11 []

3 1 ['R21']

3 2 []

3 3 ['R21', 'R22', 'C01']

3 4 []

3 5 []

3 6 []

3 7 ['R22']

3 8 ['C01']

3 9 []

3 10 []

3 11 []

4 1 ['R31']

4 2 []

4 3 []

4 4 ['R31', 'R32', 'C02']

4 5 []

4 6 []

4 7 ['R32']

4 8 []

4 9 ['C02']

4 10 []

4 11 []

5 1 ['R41']

5 2 []

5 3 []

5 4 []

5 5 ['R41', 'R42', 'C03']

5 6 []

5 7 ['R42']

5 8 []

5 9 []

5 10 ['C03']

5 11 []

6 1 ['R51']

6 2 []

6 3 []

6 4 []

6 5 []

6 6 ['R51', 'R52', 'C04']

6 7 ['R52']

6 8 []

6 9 []

6 10 []

6 11 ['C04']

7 1 []

7 2 ['R12']

7 3 ['R22']

7 4 ['R32']

7 5 ['R42']

7 6 ['R52']

7 7 ['R02', 'R12', 'R22', 'R32', 'R42', 'R52']

7 8 []

7 9 []

7 10 []

7 11 []

8 1 []

8 2 ['R03']

8 3 ['C01']

8 4 []

8 5 []

8 6 []

8 7 []

8 8 ['R03', 'R04', 'C01', 'C05']

8 9 ['R04']

8 10 []

8 11 []

9 1 []

9 2 []

9 3 []

9 4 ['C02']

9 5 []

9 6 []

9 7 []

9 8 ['R04']

9 9 ['R04', 'R05', 'C02', 'C06']

9 10 ['R05']

9 11 []

10 1 []

10 2 []

10 3 []

10 4 []

10 5 ['C03']

10 6 []

10 7 []

10 8 []

10 9 ['R05']

10 10 ['R05', 'R06', 'C03', 'C07']

10 11 ['R06']

11 1 []

11 2 []

11 3 []

11 4 []

11 5 []

11 6 ['C04']

11 7 []

11 8 []

11 9 []

11 10 ['R06']

11 11 ['R06', 'R07', 'C04', 'C08']

只看该作者 · 2021-8-14 16:15

你是跟着假孵蛋叫兽学瓜了？
这电路明显有重复的结构网络，想到用网络参数矩阵分割重复的单元写个程序也要有意义点。你这方法吃饱了撑了，没想过用脑子……

1万 · 2021-8-14 16:16

这个是完整的python程序。

1万 · 2021-8-14 16:18

本帖最后由叶春勇于 2021-8-14 16:19 编辑

ELECTRODUMMY 发表于 2021-8-14 16:15
你是跟着假孵蛋叫兽学瓜了？
这电路明显有重复的结构网络，想到用网络参数矩阵分割重复的单元写个程序也要 ...

如果你有更好的方法，可以发帖，让我看看。这个电路代数分析过，不太可能。只能编个程序让计算机去猜。
这只是某个程序的一部分。
软件好见分晓。 show me the code!

只看该作者 · 2021-8-14 19:13

spice仿真器都烂大街了，还有人编代码验证节点法/网孔法，真会玩。

1万 · 2021-8-14 20:07

xukun978 发表于 2021-8-14 19:13
spice仿真器都烂大街了，还有人编代码验证节点法/网孔法，真会玩。

我需要自编程序，自动搜索。所以得自己去求职，如果借助spice需写spice的输出结果文件的分析脚本。我感觉难度差不多。但是自编程序有优化空间

只看该作者 · 2021-8-14 20:14

本帖最后由 xukun978 于 2021-8-14 20:16 编辑

叶春勇发表于 2021-8-14 20:07
我需要自编程序，自动搜索。所以得自己去求职，如果借助spice需写spice的输出结果文件的分析脚本。我感觉 ...

如果找软件方面的工作，python太初级了，我估计不好找。

如果找硬件方面的工作，免费spice遍地开花，没有哪个公司会要找人用python求解电路的。仿真器都烂大街了，还找人去开发？

1万 · 2021-8-14 20:37

我以前说过，软件为阳，多写软件，水平就上去了。学硬件的同时，软件水平也锻炼了，这是学习方法。学python主要写一次性软件，或labview等人机软件不好写的东西。

只看该作者 · 2021-8-14 21:43

本帖最后由 xukun978 于 2021-8-14 21:46 编辑

叶春勇发表于 2021-8-14 20:37
我以前说过，软件为阳，多写软件，水平就上去了。学硬件的同时，软件水平也锻炼了，这是学习方法。学python ...

你这是四不像！
什么都懂一点，但是全都不精通。
如果是大学生，这没问题，进入公司再走专业路线。
如果是40岁老工，通过社招途径，很难进专业的大公司，面试过不了两轮，学历和经验都欠缺。

不过你可以模仿本坛的某元老，玩田忌赛马战术，碰到软件工程师，给他show硬件水平；碰到硬件工程师，给他show编程技术。

1万 · 2021-8-14 22:01

xukun978 发表于 2021-8-14 21:43
你这是四不像！
什么都懂一点，但是全都不精通。
如果是大学生，这没问题，进入公司再走专业路线。

大企业我都进过了。我以前不是说过，电厂仪表专责，dcs工程师，外企电气工程师。

1万 · 2021-8-15 13:43

king5555 发表于 2021-8-15 12:13
你的经历跟本大师很像，他也是发电厂工程师，后然到私企。他也用软件编程去解硬件，同样地x大也数落过他 ...

本大师曾经说过一个电容电阻见真功夫，我在照做，你这个电路让我在学院派和现实之间反复思考了很久。

只看该作者 · 2021-8-16 13:25

这个电路有没啥好点方法手工分析？一般方法貌似都不太好用呀

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