■制御とは
制御，特に，フィードバック制御とは，ある機械なり機器に予定した動作を行わせるための手段です。私たちの身近なところでもエアコンの温度制御だとか少し高級なものでは車のエンジンの燃料の噴射制御などがあって，制御というものは日常生活の中でもなじみの深いものだと思います。さて，制御の中枢を担うのは制御論理(制御則とかフィルタとも呼ばれる)です。Ｍ-Ｖの第１段目の制御の場合を例にとると，その役割は，センサから得られる姿勢の情報をもとに，機体の振動など有害なものを抑えつつ姿勢の誤差を小さくするように可動ノズルに指令を送ることにあります。センサや可動ノズルを含めた制御系全体の性能は，最終的には，制御論理によって決まってしまいますから，その設計は極めて重要なものと言えます。
さて，制御の特性はいろいろな尺度で測ることができますが，ここでは，安定性(ロバスト安定性)と感度特性(応答性)というものに注目してみたいと思います。まず，Ｍ-Ｖの場合には，尾翼がないので元々機体の姿勢(剛体モード)は不安定ですから，制御によってこれが安定化されるというのが第１条件です。さらに，ロケットのダイナミクスには，剛体モードばかりでなく機体の振動モードなども含まれていて，その全てを安定に保つ必要があります。ところで，制御対象としてのロケットのダイナミクスは，機体の剛性とか空力係数のような機体固有の特性や動圧のような飛行環境など(これらをシステムパラメータと呼ぶ)によって支配されています。これらのパラメータは，例えば，剛性試験や風洞試験によってかなりのレベルまで数値的に理解されてはいますが，正確な値は飛んでみるまでわからなくて，つまり，制御系の設計者は，これらパラメータに対してノミナル値からある程度のずれ(不確定性)を覚悟しなくてはなりません。このように，システムパラメータに不確定性がある場合にも安定性が確保されるような制御をロバスト制御と呼んでいて，ロケットのような一発勝負の世界ではとても重要な概念です。一方，感度特性というのは，目標の姿勢に対する応答性，あるいは，外乱に対する強さの目安を表します。特に，大気中を飛んでいく第１段目のロケットでは，空力モーメントのような大きな外乱に絶えずさらされていますので，応答性の良し悪しは直接姿勢制御の精度に結びつくことになります。
このように，ロバスト安定性と感度特性はともに重要なものですが，実は，この２つの要求は基本的には相反する要求と言えます。つまり，一方を良くすると他方が悪くなるのです。これは、例えば，自動車でいうと，あまり安定性が良すぎると操縦性が悪くなるのと同じです。ただし，基本的，というところがみそであって，確かに周波数を決めてしまうと，その周波数においては両者は全く相反してしまうのですが，ロバスト安定性が強く要求される周波数帯域，つまり，パラメータ変化の影響を受け易い領域(一般に高い)と応答性が要求される周波数帯域，つまり，剛体モードの領域(一般に低い)は異なるのです。制御系の設計というのは，このような重要な周波数帯域の違いを利用して両方の要求に対するバランスをとりながら，ある種最適なトレードオフを行い，全体として良い制御特性を得ることにあります。
