계층 제어 시스템(Hierarchical Control System)은 제어 대상 시스템을 여러 계층으로 나누고, 각 계층이 서로 다른 시간 척도와 추상화 수준에서 제어 기능을 수행하도록 구성된 제어 아키텍처를 말한다. 상위 계층은 장기적인 목표 설정, 계획 수립, 최적화 등을 담당하며 하위 계층에 참조 입력이나 설정값을 전달한다. 하위 계층은 상위 계층으로부터 받은 목표를 실시간으로 추종하기 위해 액추에이터를 직접 제어하거나 세부적인 제어 루프를 수행한다.
주요 특징은 다음과 같다.
- 계층 분리: 일반적으로 관리 계층(Management Level), 감독 제어 계층(Supervisory Control Level), 직접 제어 계층(Regulatory/Direct Control Level) 등으로 구분된다. 상위로 갈수록 의사결정 주기가 길고 시스템 전체에 대한 시야가 넓으며, 하위로 갈수록 응답 속도가 빠르고 국소적인 제어에 집중한다.
- 정보 흐름: 하위 계층은 상태 정보(센서 데이터, 공정 변수 등)를 상위 계층으로 전달하고, 상위 계층은 제어 지령(설정값, 궤적, 모드 변경 등)을 하위 계층으로 내린다. 이양방향 통신을 통해 전체 시스템의 일관성과 안정성을 확보한다.
- 기능 분담: 상위 계층은 경제적 최적화, 생산 스케줄링, 고장 진단 및 복구 전략 수립 등 복잡한 연산을 처리한다. 하위 계층은 PID 제어, 모션 제어, 시퀀스 제어 등 검증된 알고리즘을 통해 공정 변수를 목표값에 유지한다.
- 확장성 및 모듈성: 계층 간 인터페이스가 표준화되어 있으면 하위 모듈의 교체나 상위 알고리즘의 개선이 타 계층에 미치는 영향을 최소화할 수 있어 시스템 확장과 유지보수에 유리하다.
적용 분야는 공정 제어(석유화학, 발전 플랜트), 제조 실행 시스템(MES)과 분산 제어 시스템(DCS)의 연계, 로봇 제어(작업 계획 → 궤적 생성 → 서보 제어), 스마트 그리드 및 마이크로그리드 에너지 관리, 자율주행차량(경로 계획 → 행동 결정 → 차량 동역학 제어) 등 복잡한 대형 시스템 전반에 걸쳐 널리 사용된다.
