串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路。它的容量滞后减少了，过程的动态特性得到改善，使系统的响应加快，控制更为及时。
2、提高了系统工作频率
串级系统由于存在一个副回路，改善了过程特性，等效过程的时间常数减小了，从而提高了系统的工作频率，使振荡周期缩短，改善了系统的控制质量。
3、具有较强的抗扰动能力
在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地减小，或完全消除。从而提高了主参数的控制质量。
4、具有一定的自适应能力
串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。
正确合理地设计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点。在系统设计时应包括主、副回路的设计，主、副调节器控制规律和参数的选择及正、反作用方式的确定。
（三）、主、副回路的设计
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副
参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。下面介绍设计原则。
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1、主参数的选择和主回路的设计
串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。
2、副参数的选择和副回路的设计 1）、副参数的选择
副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。
副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包括一些扰动。
由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动（并可能多的把其它一些扰动）包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。如本实验就是以下水箱的液位为主参数与上水箱的液位为副参数的串级控制系统。
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在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。
如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，
但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果不明显，这是因为副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，从而明显地影响主参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可。
副回路设计应考虑工艺上的合理性：
串级控制系统的设计，应考虑满足生产工艺要求，并注意到系统的控制作用是先影响副参数，后影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。
3、串级控制系统参数的选择 对控制参数的选择，一般可考虑：
1）、选择可控性良好的参数作为控制参数。
2）、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保证大于主要
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扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。
3）、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。 （四）、主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控
制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。
主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因
此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。
（五）、主、副调节器正、反作用方式的选择：
为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，要考虑到调节阀是气开还是气关形式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主、副调节器的正、反作用方式。
在单回路控制系统设计中所述， 要使一个过程控制系统能正常工作，系统必
须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使主、副回路都构成负反馈系统。
本串级控制系统是以上水箱为副对象，下水箱为主对象，被控制量为下水箱
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的液位，如图11-2所示。由上述分析，副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例积分PI控制，反作用，自动。
反复调试，使下水箱液位快速
稳定在给定值上，这时给定的电压值应与副反馈值相等。待液位稳定后，在上水箱上加一扰动，若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不会影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，虽经过副回路的校正，还将影响液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定
值处。当扰动加在下水箱上时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对液位的影响较小。
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四、实验步骤
1）、按图4-2接成液位与液位的串级控制系统。
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