MPC控制：quadprog二次规划求解器在Windows下生成C++动态库与使用

一、求解器quadprog生成C++动态链接库

（一） 概述

MATLAB和C\C++混合编程，可以将MATLAB的M文件编译生成 C 代码和 C++ 代码。 代码生成  目标与 MATLAB 求解器不使用相同的数学核心函数库。因此，C++代码生成解可能不同于MATLAB求解器的解，尤其是对于病态问题。

要求：

• 所有 quadprog 输入矩阵（如 A、Aeq、lb 和 ub）都必须是满矩阵，而不能是稀疏矩阵。您可以使用 full 函数将稀疏矩阵转换为满矩阵。
• lb 和 ub 参数的条目数必须与 H 中的列数相同，或必须为空 []。

（二）matlab安装MinGW64编译器

• matlab推荐使用matlab2020a之后的版本。
• 编译器推荐使用MinGW64

参考：https://blog.csdn.net/qq_46467894/article/details/125291664

• 下载软件

下载链接：https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/files/

• 环境配置
  
      此电脑-属性-高级系统设置-高级-环境变量-新建
  
      变量名：MW_MINGW64_LOC
  
      变量值：https://www.gofarlic.com\Program Files\mingw64（上一步安装包解压的位置）
• matlab配置C/Cpp编译器
  
  
      选择mex -setup C++ 和MinGW64 Compiler

（三）C++ DLL库文件生成

参考：https://ww2.mathworks.cn/help/optim/ug/code-generation-for-quadprog-example.html

步骤一：生成matlab的二次规划求解代码。例如：创建C_QUADPROG.m

function X = C_QUADPROG(H,g,A_cons,b_cons,lb,ub)
%C_QUADPROG 输入六个参数，假设没有等式约束，即Aeq = [] 和 beq = []
X = quadprog(H,g,A_cons,b_cons,[],[],lb,ub);
end

步骤二：为m文件生成dll链接库

function X = C_QUADPROG(H,g,A_cons,b_cons,lb,ub)
%C_QUADPROG 输入六个参数，假设没有等式约束，即Aeq = [] 和 beq = []
X = quadprog(H,g,A_cons,b_cons,[],[],lb,ub)
end

参考：https://blog.csdn.net/m0_46427461/article/details/124181300

1、命令行输入：

mbuild -setup

2、选择” mex -setup C++ -client MBUILD “

3、命令行窗口输入>>deploytool，选择Library Compiler

4、添加m文件，运行package进行打包

二、quadprog动态库调用

（一）原理概述

1、win平台下dll、h、lib文件关系

参考：https://blog.csdn.net/weixin_43450564/article/details/109467939

（1）三者含义

• .h：头文件 —— 编译时需要
• .lib：静态链接库/动态链接库的导入库 —— 链接时需要
• .dll：动态链接库 —— 运行时需要

（2）三者关系：

• .h：声明函数接口
• .dll：函数可执行代码
• .lib：因为.lib有两个身份，分开讨论

lib文件详解：

   如果作为动态链接库的导入库：告诉编译器，调用的函数在哪个dll文件中 —— 起到“桥梁”的作用。

   如果作为静态链接库：函数的可执行代码也集成在其中。

   导入库和静态库虽然都是以.lib作为结尾的，但是他们的区别很大，他们实质是不一样的东西。

   静态库本身就包含了实际执行代码、符号表等；

   而对于导入库而言，其实际的执行代码位于动态库中，导入库只包含了地址符号表等，确保程序找到对应函数的一些基本地址信息。

   lib文件是必须在编译期就连接到应用程序中的，而dll文件是运行期才会被调用的。

2、VS调用动态库概述

(1)VS配置项含义

参考：https://blog.csdn.net/weixin_46879188/article/details/121641491

• 包含目录：h文件所在的目录。没配置好，会提示：”找不到XXX.h文件“
• 库目录：寻找lib文件的目录。没配置好，会提示：”找不到XXX.lib文件“
• 附加依赖项：lib库。如果没配置好，会提示”会出现link error，大概是“未定义的函数XXX”。

(2)lib h dll VS工程目录配置

参考：https://blog.51cto.com/u_15346415/3671701 https://blog.csdn.net/qq_40462954/article/details/117564908

动态库的调用分为三步曲，建议一个工程后：

• 将.dll与.lib与.h文件放在工程的同目录下
• 在代码中导入头文件，解决资源方案管理器中也加入头文件
• 调用动态库：分为显示调用和隐式调用

隐式调用包括:

• 设置包含目录：属性==>配置属性==>VC++目录==>包含目录(填.h所在文件路径)
• 设置库目录：属性==>配置属性==>VC++目录==>库目录(填.lib所在路径)
• 设置附加依赖项：链接器==>输入==>附加依赖项==>添加.lib的名称(动态库.lib)

（二）win平台下quadprog动态库使用

教程主要参考： https://blog.csdn.net/m0_46427461/article/details/124181300 报错参考： https://blog.csdn.net/enjoybocai/article/details/105395683 https://blog.csdn.net/weixin_30845171/article/details/98335379

VS2017，创建C++控制台应用。将C_QUADPROG.dll，C_QUADPROG.lib、C_QUADPROG.h3个文件复制到工程目录下。解决方案平台改为X64.

1、工程配置

• 包含目录
  
      选择“项目-属性-VC++目录-包含目录”，将matlab的头文件include文件夹路径添加进去，例如：“https://www.gofarlic.com\Program Files\MATLAB\R2021b\extern\include”
• 库文件
  
      选择“项目-属性-VC++目录-库目录”，将matlab的库文件lib文件夹路径添加进去，例如：“https://www.gofarlic.com\Program Files\MATLAB\R2021b\extern\lib\win64\microsoft”
• 附加依赖项
  
      选择“项目-属性-链接器-输入-附加依赖项”，添加C_QUADPROG.lib” 和“mclmcrrt.lib。，其中C_QUADPROG.lib是刚刚用Matlab生成的lib文件，mclmcrrt是调用MATLAB引擎的一个lib文件。

2、程序调试

（1）创建主函数

//#pragma comment(lib, "C_QUADPROG.lib")  //与在属性配置中“添加附加依赖项”的作用相同，前三行可以省去
 
//#pragma comment(lib, "mclmcr.lib")
//#pragma comment(lib, "mclmcrrt.lib")
 
#include <iostream>
#include "stdafx.h"
#include "C_QUADPROG.h"
#include <atlstr.h>
 
using namespace std;
 
int main()
 
{
	printf("进入main函数");
	//初始化DLL动态连接文件
	mclmcrInitialize();
	// 鉴定Matlab外部调用环境设置是否正确.
	if (!mclInitializeApplication(NULL, 0)) {
		cout << "error1" << endl;
		return -1;
	}
 
	C_QUADPROGInitialize();
	if (!C_QUADPROGInitialize()) {
		cout << "error2" << endl;
		return -1;
	}
 
	//输入矩阵、数组
	double H[3][3] = { {1,-1,1},{-1,2,-2},{1,-2,4} };
	double g[3][1] = { {-7},{-12},{-15} };
	double A[1][3] = {1, 1, 1};
	double b[1] = {1};
	double lb[3][1] = { {-10},{-10},{-10} };
	double ub[3][1] = { {10},{10},{10} };
 
	//输出矩阵、数组
	//double x_out[2];
	//double fval_out[1];
 
	//为QUADASSINPROG函数创建输入参数矩阵
	mxArray* Input_H = mxCreateDoubleMatrix(3, 3, mxREAL);
	//将输入矩阵、数组拷贝至QUADASSINPROG输入参数
	memcpy(mxGetPr(Input_H), (void*)H, sizeof(H));
 
	mxArray* Input_g = mxCreateDoubleMatrix(3, 1, mxREAL);
	memcpy(mxGetPr(Input_g), (void*)g, sizeof(g));
 
	mxArray* Input_A = mxCreateDoubleMatrix(1, 3, mxREAL);
	memcpy(mxGetPr(Input_A), (void*)A, sizeof(A));
 
	mxArray* Input_b = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);
	memcpy(mxGetPr(Input_b), (void*)b, sizeof(b));
 
	mxArray* Input_lb = mxCreateDoubleMatrix(3, 1, mxREAL);
	memcpy(mxGetPr(Input_lb), (void*)lb, sizeof(lb));
 
	mxArray* Input_ub = mxCreateDoubleMatrix(3, 1, mxREAL);
	memcpy(mxGetPr(Input_ub), (void*)ub, sizeof(ub));
 
	mxArray* Input[6] = { Input_H, Input_g, Input_A, Input_b, Input_lb, Input_ub };
	mxArray* Output[2];
 
	//调用Matlab中的函数 function [x, fval] = QUADASSINPROG(H, C, A, b, lb)以测试
	mlxC_QUADPROG( 1, Output, 6, Input);
 
	//为QUADASSINPROG函数创建输出参数指针
	mxArray* x = mxCreateDoubleMatrix(1, 3, mxREAL);    //输出的x的大小也要随输入矩阵的大小更改
	//mxArray* fval = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);
 
	//将输出参数传递给输出参数指针
	x = Output[0];
	//fval = Output[1];
 
	double *x_out = mxGetPr(x);   //x_out是DLL开始前定义的double数组；x是DLL开始后定义的mxArray数组
	//double *fval_out = mxGetPr(fval);
 
	memcpy(x, mxGetPr(x), sizeof(x));
	//memcpy(fval, mxGetPr(fval), sizeof(fval));
 
 
	CString resultStr;
	resultStr.Format("控制量结果：% f % f % f ", x_out[0], x_out[1], x_out[2]);
 
	cout << resultStr << endl;
	cout << "结束" << endl;
 
	//char anyKey;
	//cin >> anyKey;
	C_QUADPROGTerminate(); //结束DLL库
	system("pause");
	return 0;
}

（2）添加头文件

将matlab生成的头文件，添加到工程项目中

3、报错信息解决方案

（1）缺少stdafx.h头文件

主要因为工程缺少头文件，在电脑搜索相应的头文件，将缺少的所有头文件全部加入项目中。最后一共添加这么多个头文件。

（2）未定义标识符 “CString”

需要添加头文件#include <atlstr.h>。

   同时，需要将“项目-属性-常规”
MFC的使用改为：在共享DLL中使用MFC
公共语言运行时支持：使用多字节字符集

（3）找不到mclmcrrt9_11.dll

在电脑中检索到mclmcrrt9_11.dll，复制粘贴到工程目录下。

（4）An Error has occurred while trying to initialize the MATLAB Runtime  .

报错信息：

   An Error has occurred while trying to initialize the MATLAB Runtime.

   The error is: Fatal error loading library C:\Users\zhangzhiwei\source\repos\testmatlab\testmatlab\libmat.dll Error: 找不到指定的模块。

   因为电脑上存有多个版本的Matlab系统，将C_QUADPROG.dll 复制到项目目录\x64\Debug文件夹下，运行生成的exe文件，即可。

4、成功的结果

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