圖4-1是串級控制系統的方框圖。該系統有主、副兩個控制回路，主、副調節器相串聯工作，其中主調節器有自己獨立的給定值R，它的輸出m1作為副調節器的給定值，副調節器的輸出m2控制執行器，以改變主參數C1。
圖4-1 串級控制系統方框圖
R-主參數的給定值； C1-被控的主參數 ； C2-副參數；
f1(t)-作用在主對象上的擾動； f2(t)-作用在副對象上的擾動。
二、串級控制系統的特點
串級控制系統及其副回路對系統控制質量的影響已在有關課程中介紹，在此將有關結論再簡單歸納一下。
1．改善了過程的動態特性；
2．能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統抗擾動能力；
3．提高了系統的魯棒性；
4．具有一定的自適應能力。
三、主、副調節器控制規律的選擇
在串級控制系統中，主、副調節器所起的作用是不同的。主調節器起定值控制作用，它的控制任務是使主參數等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調節器。由于副回路是一個隨動系統，它的輸出要求能快速、準確地復現主調節器輸出信號的變化規律，對副參數的動態性能和余差無特殊的要求，因而副調節器可采用P或PI調節器。
四、主、副調節器正、反作用方式的選擇
正如單回路控制系統設計中所述，要使一個過程控制系統能正常工作，系統必須采用負反饋。對于串級控制系統來說，主、副調節器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統構成負反饋系統，即其主通道各環節放大系數極性乘積必須為正值。
各環節的放大系數極性是這樣規定的：當測量值增加，調節器的輸出也增加，則調節器的放大系數Kc為負（即正作用調節器），反之，Kc為正（即反作用調節器）；本裝置所用電動電動調節閥的放大系數Kv恒為正；當過程的輸入增大時，即調節器開大，其輸出也增大，則過程的放大系數K0為正，反之K0為負。
五、串級控制系統的整定方法
在工程實踐中，串級控制系統常用的整定方法有以下三種：
（一） 逐步逼近法
所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調節器的整定參數，然后將副調節器的參數設置在所求的數值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調節器的整定參數。而后，將主調節器參數設在所求得的數值上，再進行整定，求取第二次副調節器的整定參數值，然后再整定主調節器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質量指標要求為止。
（二） 兩步整定法
兩步整定法就是第一步整定副調節器參數，第二步整定主調節器參數。
整定的具體步驟為：
1．在工況穩定，主回路閉合，主、副調節器都在純比例作用條件下，主調節器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應的比例度δ2S和振蕩周期T2S。
2．將副調節器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個環節，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。
3．根據求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回路系統衰減曲線法整定公式計算主、副調節器的比例度δ、積分時間TI和微分時間Td的數值。
4．按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調節器的參數，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到過程的動態品質達到滿意為止。
（三） 一步整定法
由于兩步整定法要尋求兩個4：1的衰減過程，這是一件很花時間的事。因而對兩步整定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據經驗先確定副調節器的參數，然后將副回路作為主回路的一個環節，按單回路反饋控制系統的整定方法整定主調節器的參數。
具體的整定步驟為：
1．在工況穩定，系統為純比例作用的情況下，根據K02/δ2＝0.5這一關系式，通過副過程放大系數K02，求取副調節器的比例放大系數δ2或按經驗選取，并將其設置在副調節器上。
2．按照單回路控制系統的任一種參數整定方法來整定主調節器的參數。
3．改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據主調節器放大系數K1 和副調節器放大系數K2的匹配原理，適當調整調節器的參數，使主參數品質指標最佳。
4．如果出現較大的振蕩現象，只要加大主調節器的比例度δ或增大積分時間常數TI，即可得到改善。