PID 控制器會透過評估量測的流程變數 (PV) 與所需設定點 (SP) 之間的差 來將修正套用至控制變數 。比例 (P)、積分 (I) 和微分 (D) 項組合在一起，稱為 PID 控制器。這三個控制項會根據應用一起變化或兩個控制項組合變化，以獲得準確且最佳的回應。PID 控制器的典型工作流程顯示在下圖中。

= 控制變數

= 流程變數 (PV) 與設定點 (SP) 之間的誤差

= 比例項的係數 (比例增益)

= 積分項的係數 (積分增益)

= 微分項的係數 (微分增益)

= 比例項的係數 (比例增益)

= 積分時間，I 控制器嘗試完全消除誤差的採樣時間

= 微分時間，微分項嘗試預測未來誤差的時間

P 控制器提供與目前誤差值 (SP - PV) 成比例的輸出。將設定點 (SP) 與流程變數 (PV) 之間產生的誤差乘以比例常數 () 即可獲得輸出。輸出回應的速度取決於比例增益 ()。較高的 () 值會導致指定誤差值的輸出發生較大變更，且可導致系統不穩定。相比之下，較小的 () 值會讓系統對指定誤差變更及任何系統波動的回應較慢。P 控制器始終會伴隨著穩態誤差操作，因其完全由非零誤差值驅動。使用 P 控制器無法實現設定點，因為隨著誤差趨近於零，套用的修正也會趨近於零。一般而言，工業實踐建議，比例項必須在輸出回應中占主導地位。

系統對比例增益 () 的回應顯示在下圖中。可以看出，隨著 () 的增加，流程變數會導致設定點過衝並開始振盪。

積分項會考量過去的誤差值，並在一段時間內對其進行積分，直到誤差達到零為止。I 控制器會考慮流程變數遠離設定點的時間長度與距離，而這與 P 控制器不同，其只會考慮遠離設定點的距離。I 控制器試圖透過對誤差累積值增加增益 () 來消除應用 P 控制器之後的殘餘誤差。I 控制器主要用來減少系統中的穩態誤差。對於許多應用，P-I 控制器組合使用，足以獲得良好回應，使用 P 控制器可加速達到設定點，而使用 I 控制器可消除穩態誤差。但是，在將累積誤差降至零的過程中，I 控制器有時可能會導致輸出回應過衝，如以下訊息所示。

微分項會決定誤差隨時間變化的斜率，並將其乘以微分增益 ()。D 控制器會根據目前的變更率預測誤差的未來行為，並加快系統輸出回應。如果變更較高或斜率連續變化，需要高阻尼效應來控制變更。D 控制器會沿某一方向移動控制裝置，以抵消流程變數的突然變更。純 D 控制器無法將誤差降至零，因其只會考慮誤差的變更率。它只會嘗試透過阻尼將變更率降至零，進而減少輸出回應的過衝，如下圖所示。