Vyššiu úroveň regulácie predstavuje automatické riadenie. Znamená to, že systém je riadený tak, že jedna alebo viac fyzikálnych veličín sú udržované podľa predpísaných požiadaviek. Príkladom takého systému môže byť plynový kotol - riadený systém vykonáva predhrievanie materiálu z dôvodu povrchovej úpravy (napr. popúšťanie). Materiál umiestený vo vnútri pece musí byť zohriaty na zadanú teplotu a určitý čas musí byť teplota pece udržiavaná. Riadiace a regulačné obvody musia zachovávať nastavené hodnoty. Musí byť meraná teplota a jej hodnota je riadená regulačným ventilom (aktuátor) dodávky vykurovacieho plynu. Tento systém je riadený podľa jedného alebo viacerých meraných parametrov. Môže sa jednať o akékoľvek fyzikálne veličiny: teplota, tlak, rýchlosť, výkon, napätie, atď. Meracia jednotka spracuje namerané hodnoty do príslušného signálu a prenesie ich do riadiaceho systému. Pretože sa jedná o spätný prenos informácií zo systému, nazýva sa spätnou väzbou. Súčasťou vstupov je tiež žiadaná hodnota regulátora (setpoint). Pri riadení spätnej väzby zistíme rozdiel medzi žiadanými a nameranými hodnotami – t.j. regulačnú odchýlku. Signál regulačnej odchýlky vstupuje do riadiaceho bloku, pričom jeho veľkosť vytvára príslušný riadiaci vstup k pohonu (akčná veličina - povel). Jeho veľkosť ovplyvňuje riadený systém a jeho parametre.
Riadenie je proces využívajúci spätnú väzbu k dosiahnutiu požadovaného cieľa (spätnoväzobné riadenie). Cieľom riadenia je dosiahnutie a zabezpečenie požadovanej hodnoty riadenej (výstup) veličiny (napríklad teplota v miestnosti, hladina v nádrži) alebo jej požadovaný časový priebeh (napríklad priebeh teploty podľa týždenného plánu alebo teploty v miestnosti podľa rôznych špecifikácií). Požadovanú hodnotu riadenej (regulovanej) veličiny je potrebné zabezpečiť nielen pri zmenách žiadanej hodnoty ale aj pri pôsobení poruchových veličín, ktoré pôsobia na riadenú sústavu. Tieto poruchy obvykle majú nepredvídateľnú charakteristiku, napr. strata či navýšenie teploty vykurovanej miestnosti (spôsobená zmenou vonkajšej teploty, oknovým otvorom, prievanom, zateplením steny či izby, prítomnosťou osôb alebo napájaním elektrických zariadení).
Principiálna schéma regulačného obvodu je zobrazená na obrázku (viď vyššie). Vstupom celého systému je požadovaná hodnota (w) a výstupom je aktuálna hodnota (y). Ich vzájomný rozdiel zachytáva odchýlka e = w – y, ktorá je vstupom do regulátora. Riadiaca jednotka spracováva odchýlky a dodáva riadiace premenné, ktoré pôsobia prostredníctvom pohonov na regulovaný systém. Riadiaca jednotka sa snaží minimalizovať odchýlku aktuálnej hodnoty y od požadovanej hodnoty w.
PID je najpoužívanejším typom regulátora. Spoločnou vlastnosťou bežných P, PI a PID regulátorov je lineárnosť. V prípade proporcionálneho regulátora (P) je riadiaca premenná priamo úmerná odchýlke.
Riadiaca premenná proporcionálne - integračného regulátora (PI) je súčet dvoch zložiek – proporcionálnej (u ktorej je rovnako ako v prípade regulátora P riadiaca premenná priamo úmerná regulačnej odchýlke) a integračnej, ktorá je priamo úmerná akumulovanej hodnote regulačnej odchýlky, t.j. k jej integrálu. Integračná časť je schopná dosiahnuť nulovú regulačnú odchýlku v niektorých prípadoch, kde je to nemožné s čisto proporcionálnym regulátorom.
Výstup (riadiaca premenná) proporcionálne – integračne - derivačného regulátora (PID) obsahuje dodatočnú derivačnú zložku. Tá potom "anticipuje/predvída" chovanie a umožňuje rýchlejšiu odozvu na zmeny systému. Nevýhodou je ale citlivosť na vysokofrekvenčný šum, ktorý je prítomný v každom meraní a ktorý môže viesť k náhodnej odozve systému.
Kým boli PID regulátory realizované analógovými obvodmi, boli väčšinou z operačných zosilňovačov. Regulátory sú teraz realizované najmä softvérovo. Tento softvér beží na mikroprocesore, signálovom procesore alebo PLC v prípade priemyselných aplikácií alebo aj na bežnom počítači.
Vyčíslime výraz pre akčný zásah:
uk = p·ek + i·Σek + d·Δek.
Integrál regulačnej odchýlky je nahradený sumou regulačných odchýlok v diskrétnych časoch v každom kroku (Σek = Σek-1 + ek). Derivácia je nahradená spätnou diferenciou, t.j. rozdielom medzi aktuálnou a predchádzajúcou hodnotou regulačnej odchýlky Δek = ek – ek-1.