src/gromacs/mdlib/iteratedconstraints.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  *                        VERSION 3.2.0
  11  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  12  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  13  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  14  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  15
  16  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  17  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  18  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  19  * of the License, or (at your option) any later version.
  20  *
  21  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  22  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  23  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  24  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  25  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  26  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  27  *
  28  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  29  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  30  *
  31  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  32  *
  33  * And Hey:
  34  * Gallium Rubidium Oxygen Manganese Argon Carbon Silicon
  35  */
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40 #if ((defined WIN32 || defined _WIN32 || defined WIN64 || defined _WIN64) && !defined __CYGWIN__ && !defined __CYGWIN32__)
  41 /* _isnan() */
  42 #include <float.h>
  43 #endif
  44
  45 #include "typedefs.h"
  46 #include "gmx_fatal.h"
  47 #include "mdrun.h"
  48
  49 #ifdef GMX_DOUBLE
  50 #define CONVERGEITER  0.000000001
  51 #define CLOSE_ENOUGH  0.000001000
  52 #else
  53 #define CONVERGEITER  0.0001
  54 #define CLOSE_ENOUGH  0.0050
  55 #endif
  56
  57 /* we want to keep track of the close calls.  If there are too many, there might be some other issues.
  58    so we make sure that it's either less than some predetermined number, or if more than that number,
  59    only some small fraction of the total. */
  60 #define MAX_NUMBER_CLOSE        50
  61 #define FRACTION_CLOSE       0.001
  62
  63 /* maximum length of cyclic traps to check, emerging from limited numerical precision  */
  64 #define CYCLEMAX            20
  65
  66 void gmx_iterate_init(gmx_iterate_t *iterate,gmx_bool bIterate)
  67 {
  68     int i;
  69
  70     iterate->iter_i = 0;
  71     iterate->bIterate = bIterate;
  72     iterate->num_close = 0;
  73     for (i=0;i<MAXITERCONST+2;i++)
  74     {
  75         iterate->allrelerr[i] = 0;
  76     }
  77 }
  78
  79 gmx_bool done_iterating(const t_commrec *cr,FILE *fplog, int nsteps, gmx_iterate_t *iterate, gmx_bool bFirstIterate, real fom, real *newf)
  80 {
  81     /* monitor convergence, and use a secant search to propose new
  82        values.
  83                                                                   x_{i} - x_{i-1}
  84        The secant method computes x_{i+1} = x_{i} - f(x_{i}) * ---------------------
  85                                                                 f(x_{i}) - f(x_{i-1})
  86
  87        The function we are trying to zero is fom-x, where fom is the
  88        "figure of merit" which is the pressure (or the veta value) we
  89        would get by putting in an old value of the pressure or veta into
  90        the incrementor function for the step or half step.  I have
  91        verified that this gives the same answer as self consistent
  92        iteration, usually in many fewer steps, especially for small tau_p.
  93
  94        We could possibly eliminate an iteration with proper use
  95        of the value from the previous step, but that would take a bit
  96        more bookkeeping, especially for veta, since tests indicate the
  97        function of veta on the last step is not sufficiently close to
  98        guarantee convergence this step. This is
  99        good enough for now.  On my tests, I could use tau_p down to
 100        0.02, which is smaller that would ever be necessary in
 101        practice. Generally, 3-5 iterations will be sufficient */
 102
 103     real relerr,err,xmin;
 104     char buf[256];
 105     int i;
 106     gmx_bool incycle;
 107
 108     if (bFirstIterate)
 109     {
 110         iterate->x = fom;
 111         iterate->f = fom-iterate->x;
 112         iterate->xprev = 0;
 113         iterate->fprev = 0;
 114         *newf = fom;
 115     }
 116     else
 117     {
 118         iterate->f = fom-iterate->x; /* we want to zero this difference */
 119         if ((iterate->iter_i > 1) && (iterate->iter_i < MAXITERCONST))
 120         {
 121             if (iterate->f==iterate->fprev)
 122             {
 123                 *newf = iterate->f;
 124             }
 125             else
 126             {
 127                 *newf = iterate->x - (iterate->x-iterate->xprev)*(iterate->f)/(iterate->f-iterate->fprev);
 128             }
 129         }
 130         else
 131         {
 132             /* just use self-consistent iteration the first step to initialize, or
 133                if it's not converging (which happens occasionally -- need to investigate why) */
 134             *newf = fom;
 135         }
 136     }
 137     /* Consider a slight shortcut allowing us to exit one sooner -- we check the
 138        difference between the closest of x and xprev to the new
 139        value. To be 100% certain, we should check the difference between
 140        the last result, and the previous result, or
 141
 142        relerr = (fabs((x-xprev)/fom));
 143
 144        but this is pretty much never necessary under typical conditions.
 145        Checking numerically, it seems to lead to almost exactly the same
 146        trajectories, but there are small differences out a few decimal
 147        places in the pressure, and eventually in the v_eta, but it could
 148        save an interation.
 149
 150        if (fabs(*newf-x) < fabs(*newf - xprev)) { xmin = x;} else { xmin = xprev;}
 151        relerr = (fabs((*newf-xmin) / *newf));
 152     */
 153
 154     err = fabs((iterate->f-iterate->fprev));
 155     relerr = fabs(err/fom);
 156
 157     iterate->allrelerr[iterate->iter_i] = relerr;
 158
 159     if (iterate->iter_i > 0)
 160     {
 161         if (debug)
 162         {
 163             fprintf(debug,"Iterating NPT constraints: %6i %20.12f%14.6g%20.12f\n",
 164                     iterate->iter_i,fom,relerr,*newf);
 165         }
 166
 167         if ((relerr < CONVERGEITER) || (err < CONVERGEITER) || (fom==0) || ((iterate->x == iterate->xprev) && iterate->iter_i > 1))
 168         {
 169             iterate->bIterate = FALSE;
 170             if (debug)
 171             {
 172                 fprintf(debug,"Iterating NPT constraints: CONVERGED\n");
 173             }
 174             return TRUE;
 175         }
 176         if (iterate->iter_i > MAXITERCONST)
 177         {
 178             if (relerr < CLOSE_ENOUGH)
 179             {
 180                 incycle = FALSE;
 181                 for (i=1;i<CYCLEMAX;i++) {
 182                     if ((iterate->allrelerr[iterate->iter_i-(1+i)] == iterate->allrelerr[iterate->iter_i-1]) &&
 183                         (iterate->allrelerr[iterate->iter_i-(1+i)] == iterate->allrelerr[iterate->iter_i-(1+2*i)])) {
 184                         incycle = TRUE;
 185                         if (debug)
 186                         {
 187                             fprintf(debug,"Exiting from an NPT iterating cycle of length %d\n",i);
 188                         }
 189                         break;
 190                     }
 191                 }
 192
 193                 if (incycle) {
 194                     /* step 1: trapped in a numerical attractor */
 195                     /* we are trapped in a numerical attractor, and can't converge any more, and are close to the final result.
 196                        Better to give up convergence here than have the simulation die.
 197                     */
 198                     iterate->num_close++;
 199                     return TRUE;
 200                 }
 201                 else
 202                 {
 203                     /* Step #2: test if we are reasonably close for other reasons, then monitor the number.  If not, die */
 204
 205                     /* how many close calls have we had?  If less than a few, we're OK */
 206                     if (iterate->num_close < MAX_NUMBER_CLOSE)
 207                     {
 208                         sprintf(buf,"Slight numerical convergence deviation with NPT at step %d, relative error only %10.5g, likely not a problem, continuing\n",nsteps,relerr);
 209                         md_print_warning(cr,fplog,buf);
 210                         iterate->num_close++;
 211                         return TRUE;
 212                         /* if more than a few, check the total fraction.  If too high, die. */
 213                     } else if (iterate->num_close/(double)nsteps > FRACTION_CLOSE) {
 214                         gmx_fatal(FARGS,"Could not converge NPT constraints, too many exceptions (%d%%\n",iterate->num_close/(double)nsteps);
 215                     }
 216                 }
 217             }
 218             else
 219             {
 220                 gmx_fatal(FARGS,"Could not converge NPT constraints\n");
 221             }
 222         }
 223     }
 224
 225     iterate->xprev = iterate->x;
 226     iterate->x = *newf;
 227     iterate->fprev = iterate->f;
 228     iterate->iter_i++;
 229
 230     return FALSE;
 231 }
 232