从7.2节的分析可知，串级控制系统的种种特点都是因为增加了副回路。可以说，副回路的设计质量是保证发挥串级控制系统优点的关键所在。从结构上看，副回路也是一单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一副控制回路，这也可以归纳为如何选择副变量。下面是有关副回路设计的几个原则。

1.副变量的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏

通常串级控制系统被用来克服对象的容积滞后和纯迟延。也就是说，通过合理选择副变量，使得副回路时间常数小，调节通道短，从而使等效对象的时间常数大大减小，提高系统的工作频率，加快反应速度，缩短控制时间，尽快克服二次扰动的影响。

例如，对于隔焰式隧道窑温度串级控制系统，在组成系统时，选择一个反应灵敏的温度作为副变量时，副对象是一阶对象，它可以迅速反映燃料方面的扰动，然后加以克服，使得在主要扰动影响主变量之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制品质有很大提高。

2.副回路应包含被控对象所受到的主要扰动

由前面的分析可知，串级控制系统的副回路具有动作速度快，对二次扰动有较强的克服能力等特点。所以在设计串级控制系统时，应尽可能地把更多的扰动纳入副回路，特别是那些变化剧烈、幅度较大、频繁出现的主要扰动，一旦出现，副回路首先把它们克服到最低程度，减小它们对主变量的影响，从而提高控制品质。当然也不能走极端，试图把所有扰动都包括进去，这样将使主控制器失去作用，也就不能称之为串级控制了。因此，在要求副回路控制通道短、反应快与尽可能多地纳入扰动这两者之间存在的矛盾，应在设计中加以协调。为此，在串级控制系统设计之前，应对生产工艺中各种扰动来源及其影响程度进行必要的研究。

在具体情况下，将更多的扰动包括在副回路当中只是相对而言，并不是副回路包括的扰动越多越好。副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是越大越好，太大了会使克服扰动的灵敏度下降，其优越性就体现不出来，同时还可能使主回路的调节性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多。当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级调节没有什么效果。因此，在选择副回路时，究竟要把哪些扰动包括进去，应根据具体情况进行具体分析。

图7-9为管式加热炉温度串级控制系统。管式加热炉是原料油加热或重油裂解的重要设备之一，为了延长设备的使用寿命，保证下一道工序精馏分离的质量，原料油出口温度的稳定十分重要，工艺上只允许波动在±2%以内。显然原料油的出口温度应作为主变量，燃料油的流量作为控制变量，调节阀安装在燃料油的管线上，可供选为副变量的有燃料油的阀后压力、燃料油的流量及炉膛温度。如果燃料油的阀后压力波动是生产过程中的主要干抗，则选择燃料油阀后压力作为副变量构成出口温度与阀后压力串级控制系统，如图7-9中虚线1所示；或者选择燃料流量为副变量构成温度-流量串级控制系统，如图7-9中虚线2所示，这2种方案都是正确的。但是，假如燃料的压力和流量都比较稳定，而燃料油热值、助燃风的流量、烟囱抽力等发生变化时，采用上述两个方案都是不可行的，因为它们没有把主要扰动纳入副回路之中。这时，应将炉腔温度选作副变量构成图7-9中虚线3的温度-温度串级控制系统。(www.daowen.com)

图7-9　管式加热炉串级控制系统

3.应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性

以上对副变量选择的讨论都是从控制品质的角度来考虑的，而在实际应用时，首先要考虑生产工艺的要求。

（1）副变量的选择。应考虑工艺上主、副变量有对应关系，即调整副变量能有效地影响主变量，而且可以在线检测。

（2）串级控制系统的设计。有时从控制角度看是合理的、可行的，但从工艺角度看，却是不合理的。这时就应该根据工艺的具体情况改进设计。

（3）在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。在保证生产工艺要求的前提下，尽量选择投资少、见效快，成本低、效益高的方案。这个方案应作为工程设计人员的指导思想。

控制（操作）变量的选择原则与简单控制系统中的选择原则基本相同，这里不再赘述。