在单回路控制中，的设定值由操作员设置，PID控制器输出驱动最终控制元件。如图6-1所示的液位控制回路中，液位控制器驱动调节阀以将液位保持在设定值。如果测量的液位高于设定值，PID控制器就会根据偏差做出开大调节阀的动作，并认为这一动作将相应地增加排液流量。如果测量的液位低于设定值，PID控制器就会根据偏差做出关小调节阀的动作，并认为这一动作将相应地减少排液流量。但排液流量是几个变量的函数，包括：①阀门位置；②静压头(液位高度)。
由于调节阀非线性，排液阀门的不同位置对液位的影响可能会显著不同，为了克服调节阀非线性，必须调整排液流量，而不是阀门位置。
图1 缓冲罐液位单回路控制
串级控制设计准则
在中，有两个(或更多)PID控制器，其中一个控制器的输出驱动另一个控制器的设定值。例如：液位控制器驱动流量控制器的设定值以将液位保持在设定值，流量控制器进而驱动调节阀以使流量与液位控制器提供的流量设定值相匹配。
表1总结了串级控制设计准则，遵守这些准则可确保串级控制设计正确，并仅在适当的情况下使用。前两项涉及串级控制的选择。当然，只有当单回路控制不能提供可接受的控制性能时，才有必要进行诸如串级控制之类的改进。单回路控制在被控对象动态速度快、纯滞后时间小、干扰小且速度慢的情况下可以提供良好的控制性能。第二个条件要求以合理的成本提供或添加可接受的副过程变量的测量。
表1 串级控制设计准则
◆实施串级控制的条件：
①单回路控制不能提供满意的控制性能。
②有副过程变量的测量值
◆副过程变量必须满足下列要求：
③副过程变量必须表征重要干扰的发生。
④最终控制元件和副过程变量必须有因果关系。
⑤副过程变量动态必须比主过程变量动态快。
潜在的副过程变量必须满足三个要求。首先，它必须能显示出重大扰动的出现。也就是说，每次扰动发生时，副过程变量必须以可预测的方式响应。当然，干扰必须是重要的(对过程变量有显著影响，且频繁发生)，否则没必要减弱其影响。其次，副回路过程变量必须受到最终控制元件的影响。这种因果关系是必需的，这样副回路才能观测到扰动的影响并采取恰当的纠正动作。最后，最终控制元件与副回路过程变量之间的动态特性必须比其与主回路过程变量之间的动态特性快。副回路控制必须相对较快，以便在干扰影响主要过程变量之前抑制干扰。一般的指导原则：主回路(λ主)应该是副回路期望闭环时间常数(λ副)的三倍以上。
