两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，副控制器的输出信号送给被控制过程的执行器。这样组成的系统称为串级控制系统，如加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。

串级控制系统从整体上看，仍然是一个定值控制系统。因此，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是，串级控制系统与单回路系统相比，在结构上，从对象中引出了中间变量（即副变量）构成了一个回路，因此具备单回路系统不具备的特点。

串级控制系统在其结构上形成的两个闭环，一个闭环在里面，被称为内回路或者副回路，副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；另一个闭环在外面，被称为外回路或者主回路，主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。串级控制就是通过这两条回路的配合控制实现普通单回路控制系统很难达到的控制效果。

当扰动发生，稳定状态被破坏，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分三种情况进行分析：①扰动作用于副回路；②扰动作用于主回路；③扰动同时作用于副回路和主回路。

在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有粗调的作用，主调节器具有细调的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

特点如下：

①由于副回路的快速作用，发生于副回路的扰动，在影响主变量之前即可由副控制器予以校正。

②副变量的相位滞后，由于构成了副回路而显著减小，从而改善了主回路的响应速度。这对克服进入主、副回路的扰动都是有利的。

③串级系统对副变量及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。

④当副变量为流量时，副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。

总而言之，串级控制对进入副回路的扰动有很强的克服能力。同时，由于副回路的存在，减小了控制对象的时间参数，从而提高了系统的响应速度。串级控制提高了系统的工作频率，改善了系统的控制质量。串级控制系统有一定的自适应能力。

适用情况如下：

①克服被控过程较大的容量滞后。在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路，能够改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的、保证快速动作的副回路。

②克服被控过程的纯滞后。被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主变量的影响，改善控制系统的控制质量。

③抑制变化剧烈幅度较大的扰动。串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，就可以大大削弱其对主变量的影响。

④克服被控过程的非线性。在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。

串级控制系统在设计中需要考虑副变量的选择、主副控制器的选型、主副控制器正反作用选择，还要防止积分饱和，也还要考虑串级控制系统投运及参数整定等因素。