src/gromacs/pulling/pull.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37
  38 /*! \libinternal \file
  39  *
  40  *
  41  * \brief
  42  * This file contains datatypes and function declarations necessary
  43    for mdrun to interface with the pull code.
  44  *
  45  * \author Berk Hess
  46  *
  47  * \inlibraryapi
  48  */
  49
  50 #ifndef GMX_PULLING_PULL_H
  51 #define GMX_PULLING_PULL_H
  52
  53 #include <cstdio>
  54
  55 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  56 #include "gromacs/mdtypes/pull_params.h"
  57 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  58 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  59 #include "gromacs/utility/real.h"
  60
  61 struct ContinuationOptions;
  62 struct gmx_mtop_t;
  63 struct gmx_output_env_t;
  64 struct pull_coord_work_t;
  65 struct pull_params_t;
  66 struct t_commrec;
  67 struct t_filenm;
  68 struct t_inputrec;
  69 struct t_mdatoms;
  70 struct t_pbc;
  71 class t_state;
  72
  73 namespace gmx
  74 {
  75 class ForceWithVirial;
  76 class LocalAtomSetManager;
  77 }
  78
  79 /*! \brief Returns if the pull coordinate is an angle
  80  *
  81  * \param[in] pcrd The pull coordinate to query the type for.
  82  * \returns a boolean telling if the coordinate is of angle type.
  83  */
  84 bool pull_coordinate_is_angletype(const t_pull_coord *pcrd);
  85
  86 /*! \brief Returns the units of the pull coordinate.
  87  *
  88  * \param[in] pcrd The pull coordinate to query the units for.
  89  * \returns a string with the units of the coordinate.
  90  */
  91 const char *pull_coordinate_units(const t_pull_coord *pcrd);
  92
  93 /*! \brief Returns the conversion factor from the pull coord init/rate unit to internal value unit.
  94  *
  95  * \param[in] pcrd The pull coordinate to get the conversion factor for.
  96  * \returns the conversion factor.
  97  */
  98 double pull_conversion_factor_userinput2internal(const t_pull_coord *pcrd);
  99
 100 /*! \brief Returns the conversion factor from the pull coord internal value unit to the init/rate unit.
 101  *
 102  * \param[in] pcrd The pull coordinate to get the conversion factor for.
 103  * \returns the conversion factor.
 104  */
 105 double pull_conversion_factor_internal2userinput(const t_pull_coord *pcrd);
 106
 107 /*! \brief Get the value for pull coord coord_ind.
 108  *
 109  * \param[in,out] pull      The pull struct.
 110  * \param[in]     coord_ind Number of the pull coordinate.
 111  * \param[in]     pbc       Information structure about periodicity.
 112  * \returns the value of the pull coordinate.
 113  */
 114 double get_pull_coord_value(struct pull_t      *pull,
 115                             int                 coord_ind,
 116                             const struct t_pbc *pbc);
 117
 118 /*! \brief Registers the provider of an external potential for a coordinate.
 119  *
 120  * This function is only used for checking the consistency of the pull setup.
 121  * For each pull coordinate of type external-potential, selected by the user
 122  * in the mdp file, there has to be a module that provides this potential.
 123  * The module registers itself as the provider by calling this function.
 124  * The passed \p provider string has to match the string that the user
 125  * passed with the potential-provider pull coordinate mdp option.
 126  * This function should be called after init_pull has been called and before
 127  * pull_potential is called for the first time.
 128  * This function does many consistency checks and when it returns and the
 129  * first call to do_potential passes, the pull setup is guaranteed to be
 130  * correct (unless the module doesn't call apply_external_pull_coord_force
 131  * every step or calls it with incorrect forces). This registering function
 132  * will exit with a (release) assertion failure when used incorrely or
 133  * with a fatal error when the user (mdp) input in inconsistent.
 134  *
 135  * Thread-safe for simultaneous registration from multiple threads.
 136  *
 137  * \param[in,out] pull         The pull struct.
 138  * \param[in]     coord_index  The pull coordinate index to register the external potential for.
 139  * \param[in]     provider     Provider string, should match the potential-provider pull coordinate mdp option.
 140  */
 141 void register_external_pull_potential(struct pull_t *pull,
 142                                       int            coord_index,
 143                                       const char    *provider);
 144
 145
 146 /*! \brief Apply forces of an external potential to a pull coordinate.
 147  *
 148  * This function applies the external scalar force \p coord_force to
 149  * the pull coordinate, distributing it over the atoms in the groups
 150  * involved in the pull coordinate. The corresponding potential energy
 151  * value should be added to the pull or the module's potential energy term
 152  * separately by the module itself.
 153  * This function should be called after pull_potential has been called and,
 154  * obviously, before the coordinates are updated uses the forces.
 155  *
 156  * \param[in,out] pull             The pull struct.
 157  * \param[in]     coord_index      The pull coordinate index to set the force for.
 158  * \param[in]     coord_force      The scalar force for the pull coordinate.
 159  * \param[in]     mdatoms          Atom properties, only masses are used.
 160  * \param[in,out] forceWithVirial  Force and virial buffers.
 161  */
 162 void apply_external_pull_coord_force(struct pull_t        *pull,
 163                                      int                   coord_index,
 164                                      double                coord_force,
 165                                      const t_mdatoms      *mdatoms,
 166                                      gmx::ForceWithVirial *forceWithVirial);
 167
 168
 169 /*! \brief Set the all the pull forces to zero.
 170  *
 171  * \param pull              The pull group.
 172  */
 173 void clear_pull_forces(struct pull_t *pull);
 174
 175
 176 /*! \brief Determine the COM pull forces and add them to f, return the potential
 177  *
 178  * \param[in,out] pull   The pull struct.
 179  * \param[in]     md     All atoms.
 180  * \param[in]     pbc    Information struct about periodicity.
 181  * \param[in]     cr     Struct for communication info.
 182  * \param[in]     t      Time.
 183  * \param[in]     lambda The value of lambda in FEP calculations.
 184  * \param[in]     x      Positions.
 185  * \param[in,out] force  Forces and virial.
 186  * \param[out] dvdlambda Pull contribution to dV/d(lambda).
 187  *
 188  * \returns The pull potential energy.
 189  */
 190 real pull_potential(struct pull_t *pull, const t_mdatoms *md, struct t_pbc *pbc,
 191                     const t_commrec *cr, double t, real lambda,
 192                     const rvec *x, gmx::ForceWithVirial *force, real *dvdlambda);
 193
 194
 195 /*! \brief Constrain the coordinates xp in the directions in x
 196  * and also constrain v when v != NULL.
 197  *
 198  * \param[in,out] pull   The pull data.
 199  * \param[in]     md     All atoms.
 200  * \param[in]     pbc    Information struct about periodicity.
 201  * \param[in]     cr     Struct for communication info.
 202  * \param[in]     dt     The time step length.
 203  * \param[in]     t      The time.
 204  * \param[in]     x      Positions.
 205  * \param[in,out] xp     Updated x, can be NULL.
 206  * \param[in,out] v      Velocities, which may get a pull correction.
 207  * \param[in,out] vir    The virial, which, if != NULL, gets a pull correction.
 208  */
 209 void pull_constraint(struct pull_t *pull, const t_mdatoms *md, struct t_pbc *pbc,
 210                      const t_commrec *cr, double dt, double t,
 211                      rvec *x, rvec *xp, rvec *v, tensor vir);
 212
 213
 214 /*! \brief Make a selection of the home atoms for all pull groups.
 215  * Should be called at every domain decomposition.
 216  *
 217  * \param cr             Structure for communication info.
 218  * \param pull           The pull group.
 219  */
 220 void dd_make_local_pull_groups(const t_commrec *cr, struct pull_t *pull);
 221
 222
 223 /*! \brief Allocate, initialize and return a pull work struct.
 224  *
 225  * \param fplog       General output file, normally md.log.
 226  * \param pull_params The pull input parameters containing all pull settings.
 227  * \param ir          The inputrec.
 228  * \param mtop        The topology of the whole system.
 229  * \param cr          Struct for communication info.
 230  * \param atomSets    The manager that handles the pull atom sets
 231  * \param lambda      FEP lambda.
 232  */
 233 struct pull_t *init_pull(FILE                      *fplog,
 234                          const pull_params_t       *pull_params,
 235                          const t_inputrec          *ir,
 236                          const gmx_mtop_t          *mtop,
 237                          const t_commrec           *cr,
 238                          gmx::LocalAtomSetManager  *atomSets,
 239                          real                       lambda);
 240
 241
 242 /*! \brief Close the pull output files and delete pull.
 243  *
 244  * \param pull       The pull data structure.
 245  */
 246 void finish_pull(struct pull_t *pull);
 247
 248
 249 /*! \brief Calculates centers of mass all pull groups.
 250  *
 251  * \param[in] cr       Struct for communication info.
 252  * \param[in] pull     The pull data structure.
 253  * \param[in] md       All atoms.
 254  * \param[in] pbc      Information struct about periodicity.
 255  * \param[in] t        Time, only used for cylinder ref.
 256  * \param[in] x        The local positions.
 257  * \param[in,out] xp   Updated x, can be NULL.
 258  *
 259  */
 260 void pull_calc_coms(const t_commrec *cr,
 261                     pull_t          *pull,
 262                     const t_mdatoms *md,
 263                     t_pbc           *pbc,
 264                     double           t,
 265                     const rvec       x[],
 266                     rvec            *xp);
 267
 268 /*! \brief Margin for checking pull group PBC distances compared to half the box size */
 269 static constexpr real c_pullGroupPbcMargin = 0.9;
 270 /*! \brief Threshold (as a factor of half the box size) for accepting pull groups without explicitly set refatom */
 271 static constexpr real c_pullGroupSmallGroupThreshold = 0.5;
 272
 273 /*! \brief Checks whether all groups that use a reference atom are within PBC restrictions
 274  *
 275  * Groups that use a reference atom for determining PBC should have all their
 276  * atoms within half the box size from the PBC atom. The box size is used
 277  * per dimension for rectangular boxes, but can be a combination of
 278  * dimensions for triclinic boxes, depending on which dimensions are
 279  * involved in the pull coordinates a group is involved in. A margin is specified
 280  * to ensure that atoms are not too close to the maximum distance.
 281  *
 282  * Should be called without MPI parallelization and after pull_calc_coms()
 283  * has been called at least once.
 284  *
 285  * \param[in] pull       The pull data structure
 286  * \param[in] x          The coordinates
 287  * \param[in] pbc        Information struct about periodicity
 288  * \param[in] pbcMargin  The minimum margin (as a fraction) to half the box size
 289  * \returns -1 when all groups obey PBC or the first group index that fails PBC
 290  */
 291 int pullCheckPbcWithinGroups(const pull_t &pull,
 292                              const rvec   *x,
 293                              const t_pbc  &pbc,
 294                              real          pbcMargin);
 295
 296 /*! \brief Checks whether a specific group that uses a reference atom is within PBC restrictions
 297  *
 298  * Groups that use a reference atom for determining PBC should have all their
 299  * atoms within half the box size from the PBC atom. The box size is used
 300  * per dimension for rectangular boxes, but can be a combination of
 301  * dimensions for triclinic boxes, depending on which dimensions are
 302  * involved in the pull coordinates a group is involved in. A margin is specified
 303  * to ensure that atoms are not too close to the maximum distance. Only one group is
 304  * checked.
 305  *
 306  * Should be called without MPI parallelization and after pull_calc_coms()
 307  * has been called at least once.
 308  *
 309  * \param[in] pull       The pull data structure
 310  * \param[in] x          The coordinates
 311  * \param[in] pbc        Information struct about periodicity
 312  * \param[in] groupNr    The index of the group (in pull.group[]) to check
 313  * \param[in] pbcMargin  The minimum margin (as a fraction) to half the box size
 314  * \returns true if the group obeys PBC otherwise false
 315  */
 316 bool pullCheckPbcWithinGroup(const pull_t                  &pull,
 317                              gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
 318                              const t_pbc                   &pbc,
 319                              int                            groupNr,
 320                              real                           pbcMargin);
 321
 322 /*! \brief Returns if we have pull coordinates with potential pulling.
 323  *
 324  * \param[in] pull     The pull data structure.
 325  */
 326 gmx_bool pull_have_potential(const struct pull_t *pull);
 327
 328
 329 /*! \brief Returns if we have pull coordinates with constraint pulling.
 330  *
 331  * \param[in] pull     The pull data structure.
 332  */
 333 gmx_bool pull_have_constraint(const struct pull_t *pull);
 334
 335 /*! \brief Returns the maxing distance for pulling
 336  *
 337  * For distance geometries, only dimensions with pcrd->params[dim]=1
 338  * are included in the distance calculation.
 339  * For directional geometries, only dimensions with pcrd->vec[dim]!=0
 340  * are included in the distance calculation.
 341  *
 342  * \param[in] pcrd Pulling data structure
 343  * \param[in] pbc  Information on periodic boundary conditions
 344  * \returns The maximume distance
 345  */
 346 real max_pull_distance2(const pull_coord_work_t *pcrd,
 347                         const t_pbc             *pbc);
 348
 349 /*! \brief Sets the previous step COM in pull to the current COM and updates the pull_com_prev_step in the state
 350  *
 351  * \param[in]   pull  The COM pull force calculation data structure
 352  * \param[in]   state The local (to this rank) state.
 353  */
 354 void updatePrevStepPullCom(struct pull_t *pull, t_state *state);
 355
 356 /*! \brief Allocates, initializes and communicates the previous step pull COM (if that option is set to true).
 357  *
 358  * If ir->pull->bSetPbcRefToPrevStepCOM is not true nothing is done.
 359  *
 360  * \param[in] ir                     The input options/settings of the simulation.
 361  * \param[in] md                     All atoms.
 362  * \param[in] state                  The local (to this rank) state.
 363  * \param[in] state_global           The global state.
 364  * \param[in] cr                     Struct for communication info.
 365  * \param[in] startingFromCheckpoint Is the simulation starting from a checkpoint?
 366  */
 367 void preparePrevStepPullCom(const t_inputrec *ir, const t_mdatoms *md, t_state *state, const t_state *state_global, const t_commrec *cr, bool startingFromCheckpoint);
 368
 369 /*! \brief Initializes the COM of the previous step (set to initial COM)
 370  *
 371  * \param[in] cr       Struct for communication info.
 372  * \param[in] pull     The pull data structure.
 373  * \param[in] md       All atoms.
 374  * \param[in] pbc      Information struct about periodicity.
 375  * \param[in] x        The local positions.
 376  */
 377 void initPullComFromPrevStep(const t_commrec *cr,
 378                              pull_t          *pull,
 379                              const t_mdatoms *md,
 380                              t_pbc           *pbc,
 381                              const rvec       x[]);
 382
 383 #endif