图1 缓冲罐液位串级控制
想象一下调节阀有一个黏滞问题，如果没有排液流量控制回路，液位控制回路将在一个长周期连续振荡，这很可能会影响下游过程。随着快速排液流量控制回路的到位，黏滞调节阀将导致其振荡，但由于调节良好的排液流量回路固有的快速动态行为，其周期要短得多(更快)，对下游过程不会产生太大的不利影响。
或者想象调节阀具有非线性流量特性，这会导致控制回路不稳定。如果液位控制器直接驱动阀门，则为了保持稳定性必须要把PID参数整定得弱一些，这样也会导致液位控制性能非常差。在具有驱动调节阀的排液流量控制回路的串级控制方案中，排液流量回路将整定得弱一些以保持稳定性，这将导致相对较差的排液流量控制，但由于排液流量回路的动态速度比液位回路快得多，所以液位控制回路几乎不受影响。
如果副过程变量纯滞后时间较小，可以通过副回路的整定使副回路闭环响应比开环响应更快，从而改进广义被控对象的特性。主回路也可以更快地控制主过程变量。
如果有一个动态相对较慢的变量(如液位、温度、成分、湿度)并且必须操纵流量或其他一些相对较快的变量来控制，则应始终使用串级控制。例如，改变燃料气流量来控制加热炉出口温度或者改变蒸汽流量来控制精馏塔灵敏板温度。在这两种情况下，流量控制回路都应该用作串级控制的副回路。
当副回路比主回路快得多时，串级控制对进入副回路的扰动的抑制更有效。无论如何，即使在闭环时间常数比约为3:1的情况下，串级控制仍能比单回路控制多抑制50%的干扰。绝大多数情况下使用串级都能带来控制性能的改善。
串级控制有三个缺点：
①需要额外的测量(通常是流量)才能工作；
②有一个额外的控制器需要整定；
③控制策略更复杂。
这些缺点必须与预期控制改进的好处进行权衡，以决定是否应该实施串级控制。与通过适当设计的串级控制策略实现的效益相比，这些缺点并不明显。
只有当副回路的动态比主回路的动态快时，串级控制才是有益的。如果副回路不比主回路快至少三倍又没有其他特殊需求，则通常不应使用串级控制，因为控制性能改善不明显。在加热炉出口温度控制中设计为串级控制炉膛温度再串级燃料，由于燃料到炉膛温度和到出口温度的动态特性差不多，因此这是一种典型的串级控制错误设计。
当副回路没有明显快于主回路时，除了串级控制的好处减少之外，两个回路之间还存在可能导致不稳定的相互耦合的风险，特别是主回路被整定得非常快时。当副回路和主回路动态特性差不多时，主副回路要选择明显不同的期望闭环时间常数(λ)，一般要求主回路的期望闭环时间常数至少是副回路期望闭环时间常数的3倍。
当有多个过程变量和一个最终控制元件时，可以采用多级串级控制。当PID控制器输出和过程变量之间存在显著的动态，例如，大纯滞后时间或大时间常数时，这种方法尤其有用。通过使用对控制器输出响应更快的中间过程变量，可以实现更精准的控制。串级控制是通过嵌套控制回路来建立的，也可以使用带有更多嵌套回路的串级控制。如果所有的状态变量都被测量了，那么就不需要再引入其他的过程变量。在这种情况下，串级控制等同于状态反馈。如图2所示，对负载扰动的响应串级控制要明显优于单回路控制。
图2 串级(实线)和单回路(虚线)控制系统对负载扰动的响应