以司机驾驶汽车为例：司机通过眼睛（反馈）观察实际路线与预期路线是否相符，当二者出现偏差时，司机（控制器）依据经验转动方向盘，方向盘经液压放大器控制汽车轮子的转向（执行机构），从而调整汽车运行方向，使其实际方向与预期方向基本一致。这就是控制器的基本控制思路。

实际控制系统通常用高精度传感器的测量值作为实际输出值，将预期给定值与实际输出值之差作为偏差，由控制装置对偏差进行处理，用处理结果驱动执行机构动作，通过不断改变受控对象状态逐步减小偏差，使执行机构的工作状态达到或接近预期的理想状态。

PID 是一种非常重要的控制器，在工业生产过程中应用广泛。一方面，PID 控制器能在各种不同工作条件下保持较好的工作性能；另一方面，其功能相对简单、使用方便。例如，可利用 PID 控制原理通过控制风门开度来控制风量大小。

PID 控制器在实际应用中常采用比例、积分、微分等基本控制规律，或这些规律的组合，如比例-积分、比例-微分、比例-积分-微分等组合控制规律。其中 P（Proportional）代表比例控制，I（Integral）代表积分控制，D（Derivative）代表微分控制。使用 PID 控制器时必须确定比例增益、积分增益和微分增益这三个参数。图 1-1 的 PID 原理图说明了 PID 的控制过程。

图 1-1 PID 控制原理图

一、比例（P）控制

比例控制是最简单的控制方式，其控制器输出与给定期望值和反馈值的偏差信号成比例。系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。对同样的偏差，比例系数越大，控制器输出越大；但过大的比例会使系统稳定性下降，甚至导致系统不稳定。仅有比例控制时一般只能减小偏差而不能消除偏差，系统输出通常存在稳态误差。

PID 控制功能建立在比例 P 的基础上。P 是负反馈控制的放大倍数，负反馈放大器输出的信号经反馈电路返回后与输入设定值比较；由于是负反馈，得到的是差值，用该差值控制输出量的变化，以达到控制目的。

二、积分（I）控制

积分控制中，控制器的输出与偏差信号的积分成正比。若系统进入稳态后仍存在稳态误差，则称该系统为有稳态误差系统（有差系统）。为消除稳态误差，须在控制器中引入“积分项”。积分项对误差进行时间积分，随时间的增加积分项增大；即使误差很小，积分项也会逐渐加大并推动控制器输出增大，使稳态误差逐步减小直至为零。加入积分调节会使系统稳定性下降、动态响应变慢。积分作用常与另外两种规律结合组成 PI 或 PID 调节器。比例+积分（PI）控制器可使系统进入稳态后无稳态误差。

若负反馈放大的倍数过大，系统会产生超调振荡。设定值与负反馈值方向相反，二者接近时差值趋近于零，放大后振荡会加剧。PID 是对负反馈的改进：利用积分一点点加快减小静差的速度，但前提是比例 P 适当——当输出在有限范围内振荡时 P 即合适，再加入 I 后摆动会逐步减小并最终趋于稳定。若 I 以时间为单位，时间越短积分作用越强；积分作用过强同样会导致振荡。若以积分系数表示，则系数越大积分作用越强，调试时需注意。

三、微分（D）控制

微分控制中，控制器输出与偏差信号的微分（误差变化率）成正比。微分作用反映偏差信号的变化率，具有预见性，能预判偏差变化趋势，从而产生超前的控制作用，在偏差形成前即被消除，因而可改善系统动态性能。在微分时间选择恰当时，可减小超调、缩短调节时间。但微分作用会放大噪声干扰，过强的微分调节对系统抗干扰不利。

自动控制系统在克服误差的过程中可能产生振荡甚至失稳，“微分项”能预测误差变化趋势，因此比例+微分（PD）控制器可提前使抑制误差的控制作用趋近于零甚至为负值，从而避免被控量严重超调。对惯性较大或有滞后的被控对象，PD 控制器可改善调节过程的动态特性。此外，微分反映变化率，当输入无变化时微分输出为零；微分作用不能单独使用，需与另外两种规律结合组成 PD 或 PID 控制器。一般控制中，微分 D 非必需；经验表明，启动时若上升过快可增加 D 以抑制，或加入 P、I 后仍存在振荡时适当加入微分 D。

在过程控制领域，既可应用 PLC 的 PID 功能，也可使用变频器内置的 PID 功能。