一、Simulink / Simscape 中的三种端口体系详解

——电气端口、物理信号端口与数值信号端口的本质区别

一句话总结：
在 Simulink + Simscape 中，线不是线，端口不是端口。
不同端口代表的是不同“物理世界”，混接一定会报错。

本文用于系统性梳理 Simulink 中三类端口的本质区别、连接规则和典型模块，适合作为长期复习用的技术笔记。

一、为什么 Simulink 里要分三种端口？

如果你只用过纯 Simulink，可能会觉得：

“信号就是一根线，接上就行了。”

但一旦你进入 Simscape（物理建模），Simulink 的世界会被严格划分为 多个“物理域”：

电压 ≠ 一个数字
电流 ≠ 一个数字
功率守恒 ≠ 随便算

👉 端口类型的存在，是为了保证物理一致性（Physical Consistency）。

二、三种端口的总览对比

端口类型	所属世界	是否守恒	是否有单位	能否进 Scope
电气端口（Electrical Conserving Port）	物理建模	✅	✅	❌
物理信号端口（Physical Signal, PS）	物理信号	❌	✅	❌
数值信号端口（Simulink Signal）	数值计算	❌	❌	✅

三、电气端口（Electrical Conserving Port）

1️⃣ 它是什么？

真实的电气连接端口，代表一个电气节点。

满足 基尔霍夫电流定律
满足 能量守恒
端口本身 不携带“数值信号”

📌 本质：“物理连接点”

2️⃣ 常见模块

Resistor（电阻）
Capacitor（电容）
Inductor（电感）
Voltage Source / Current Source
Electrical Reference（地）
Voltage Sensor / Current Sensor（其 ± 端）

3️⃣ 端口特征

在 MATLAB Engine 里体现为：
- LConn
- RConn
不能直接接：
- Scope
- Gain
- Sum
- PS-Simulink Converter

4️⃣ 示例

Vdc ── R ── C ── GND

这里每一根线都是 电气端口之间的连接。

四、物理信号端口（Physical Signal, PS）

1️⃣ 它是什么？

物理量的“数值表达”，但仍然属于 Simscape 世界。

有明确物理意义
有单位（V、A、N、Pa）
不参与守恒计算

📌 本质：“带单位的物理量信号”

2️⃣ 它从哪里来？

通常来自 传感器模块：

Voltage Sensor → 输出电压（V）
Current Sensor → 输出电流（A）
Force Sensor / Torque Sensor 等

3️⃣ 常见模块

Voltage Sensor（V 端）
Current Sensor（I 端）
PS-Simulink Converter（输入端）
PS Gain / PS Sum（Simscape 内部处理）

4️⃣ 示例

[Voltage Sensor] -> Physical Signal (V)

五、数值信号端口（Simulink Signal）

1️⃣ 它是什么？

普通的 Simulink 数值信号。

没有物理单位
只是 double / array
用于控制、算法、显示

📌 本质：“纯数值”

2️⃣ 常见模块

Scope
Gain
Sum
PID Controller
MATLAB Function

3️⃣ 示例

PS-Simulink Converter ──▶ Scope

六、域转换：三种端口如何“合法交互”

✅ 合法的转换路径（唯一正确方式）

Electrical Domain
↓（Sensor）
Physical Signal (PS)
↓（PS-Simulink Converter）
Simulink Signal

❌ 非法连接（必报错）

错误连接	原因
电气端口 → Scope	域不匹配
电气端口 → PS-SL	缺少传感器
PS 端口 → 电气端口	方向错误
电气端口 → Simulink 模块	物理规则被破坏

七、以 RC 电路测量电容电压为完整示例

正确结构

Vdc ── R ── C ── GND
│
├─ Voltage Sensor (+)
└─ Voltage Sensor (−)

Voltage Sensor (V)
│
PS-Simulink Converter
│
Scope

核心原则

任何物理量想“被看到”，都必须经过：
Sensor → PS → PS-Simulink Converter

八、对自动建模 / LLM 生成 Simulink 的启示

如果你在做：

自然语言 → LLM → Simulink 模型

那么模型必须理解：

哪些模块是 物理模块
哪些是 传感器
哪些是 信号处理模块
哪些连接 绝对不能出现

否则就会生成：

❌ “画得出来，但跑不起来”的模型

九、可以写进系统 Prompt 的硬规则

Rules:
1. Electrical conserving ports can only connect to electrical conserving ports.
2. Physical quantities must be measured using sensors.
3. Physical Signals must be converted using PS-Simulink Converter before entering Simulink.
4. Never connect electrical ports directly to Simulink signals.

二、simulink获取某模块的路径

simulink中某个模块在库浏览器中的路径不是它真实的在simulink引擎中的路径，当我们使用.m代码或者pythpn matlab.engine去添加模块的时候，我们需要知道该模块的simulink引擎中的真实路径

方法一：使用gcb

找到模块所属的上一级库，比如scope所属的上一级是sink库，右键sink库，选择打开sink库，打开后，用鼠标点击scope模块
回到matlab命令行，输入gcb运行，即可看到输出的该模块的路径

方法二、使用get_param

把你想要知道路径的模块拖到sinmulink界面中，用鼠标点击选中它
回到matlab命令行，依次运行h = get_param(gcb, 'Handle')， get_param(h, 'ReferenceBlock')
输出的路径就是我们要的路径

知道路径，我们就可以使用add_block将模块添加到模型中，以下是一个RC电路的python代码，使用matlab.engine驱动

import matlab.engine

eng = matlab.engine.start_matlab()

model = 'rc_circuit'

eng.new_system(model, 'Model', nargout=0)
eng.open_system(model, nargout=0)

blocks = {
    'SolverConfig': 'nesl_utility/Solver Configuration',
    'Ground': 'fl_lib/Electrical/Electrical Elements/Electrical Reference',
    'Vsrc': 'fl_lib/Electrical/Electrical Sources/DC Voltage Source',
    'R': 'fl_lib/Electrical/Electrical Elements/Resistor',
    'C': 'fl_lib/Electrical/Electrical Elements/Capacitor',
    'PS2SL': 'nesl_utility/PS-Simulink Converter',
    'Scope': 'simulink/Sinks/Scope',
    'Voltage_Sensor': 'fl_lib/Electrical/Electrical Sensors/Voltage Sensor',
}

for name, path in blocks.items():
    eng.add_block(path, f'{model}/{name}', nargout=0)

# 获取端口句柄
ph_vsrc   = eng.get_param(f'{model}/Vsrc', 'PortHandles')
ph_r      = eng.get_param(f'{model}/R', 'PortHandles')
ph_c      = eng.get_param(f'{model}/C', 'PortHandles')
ph_gnd    = eng.get_param(f'{model}/Ground', 'PortHandles')
ph_solver = eng.get_param(f'{model}/SolverConfig', 'PortHandles')
ph_ps2sl  = eng.get_param(f'{model}/PS2SL', 'PortHandles')
ph_scope  = eng.get_param(f'{model}/Scope', 'PortHandles')
ph_vsensor= eng.get_param(f'{model}/Voltage_Sensor', 'PortHandles')


eng.add_line(model, ph_vsrc['LConn'], ph_r['LConn'], 'autorouting', 'on', nargout=0)
eng.add_line(model, ph_r['RConn'], ph_c['LConn'], 'autorouting', 'on', nargout=0)
eng.add_line(model, ph_c['RConn'], ph_gnd['LConn'], 'autorouting', 'on', nargout=0)
eng.add_line(model, ph_gnd['LConn'], ph_solver['RConn'], 'autorouting', 'on', nargout=0)
eng.add_line(model,ph_vsrc['RConn'],ph_gnd['LConn'],'autorouting', 'on',nargout=0)
# Voltage Sensor connections
eng.add_line(model,ph_vsensor['LConn'],ph_c['LConn'],'autorouting', 'on',nargout=0)
eng.add_line(model,ph_vsensor['RConn'][0][1],ph_c['RConn'],'autorouting', 'on',nargout=0)
# Voltage Sensor -> PS2SL
eng.add_line(model,ph_vsensor['RConn'][0][0],ph_ps2sl['LConn'],'autorouting', 'on',nargout=0)
#  -> Scope
eng.add_line(model,ph_ps2sl['Outport'],ph_scope['Inport'],'autorouting', 'on',nargout=0)


eng.save_system(model, nargout=0)