现代工业中的生产工艺越来越复杂,特别是在石油、化工等过程控制领域,对控制系统的品质要求也日益提高,单回路系统往往难以满足要求。串级控制是一种在传统单回路结构下进行性能提升的控制系统。一直以来对串级控制的研究主要集中在两个方面：一种是对控制器的整定,由于串级控制在结构上形成两个闭环,主、副控制器任务不同,对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同的考虑,相对于单回路系统,其整定方法也更为复杂。另一个研究领域主要集中在对传统串级控制在其结构上进行优化,如将串级控制与内模控制或史密斯预估器相结合,从而有效地进行输入信号的无稳态误差跟踪和对大时滞系统进行补偿。本文在分析串级控制两种改进方法的基础上,设计了一种改进型的串级控制系统,副回路采用内模控制器,根据内模控制原理可以有效、快速地消除二次干扰；主回路以最优灵敏度为设计指标,由H,最优控制理论得到主控制器整定参数,并可将系统化简成标准的串级控制结构。控制对象采用双容水箱,通过Simulink与其他几种串级控制算法进行仿真比较,结果表明本文算法在设定值跟踪、负载扰动抑制及系统鲁棒性等方面的性能指标均有更好的表现。本文最后将所设计的参数整定方法通过C语言编程嵌入SIMATIC WinCC全局脚本文件中,使用Siemens S7-300PLC作为控制器,应用于"THJFCS-1型现场总线过程控制系统实验装置”,对双容水箱的液位进行控制,并通过上位机WinCC进行实时监控。实验结果表明运用本算法使系统有较快的响应速度,超调量较小,对设定值跟踪表现也良好。