Vyšší úroveň regulace představuje automatické řízení. Znamená to, že systém je řízen tak, že jedna nebo více fyzikálních veličin jsou udržovány dle předepsaných požadavků. Příkladem takového systému může být plynový kotel - řízený systém provádí předehřívání materiálu z důvodů povrchové úpravy (např. popouštění). Materiál umístěný uvnitř pece musí být zahříván na zadanou teplotu a po určitou dobu musí teplota pece, regulační obvody (řídicí a regulační), zachovat nastavené hodnoty. Musí být měřena teplota, její hodnota je řízena regulačním ventilem (aktuátor) dodávky topného plynu. Tento systém je řízen podle jednoho nebo více měřených parametrů. Může se jednat o jakékoliv fyzikální veličiny: teplota, tlak, rychlost, výkon, napětí, atd. Měřicí jednotka zpracuje naměřené hodnoty do příslušného signálu a předá je do řídicího systému. Protože se jedná o zpětný přenos informací ze systému, nazývá se zpětná vazba. Součástí vstupů je také žádaná hodnota regulátoru (setpoint). Pro řízení zpětné vazby zjistíme rozdíl mezi hodnotami a měřenými signály – tj. regulační odchylka. Signál regulační odchylky vstupuje do řídicího bloku, jehož velikost vytváří příslušný řídicí vstup k pohonu (akční veličina - povel). Jeho velikost ovlivňuje řízený systém a jeho parametry.
Řízení je proces využívající zpětné vazby k dosažení požadovaného cíle (zpětnovazebné řízení). Cílem řízení je dosažení a zajištění požadované hodnoty řízené (výstup) veličiny (například teplota místnosti, hladina v nádrži) nebo její požadovaný časový průběh (například průběh teploty podle týdenního plánu nebo teploty v místnosti podle různých specifikací). Požadovanou hodnotu řízené (regulované) veličiny je třeba zajistit nejen při změnách žádané hodnoty, ale i při působení poruchových veličin, které působí na řízenou soustavu. Tyto poruchy obvykle mají nepředvídatelnou charakteristiku, např. ztráta či navýšení tepla vytápěné místnosti (způsobenou změnou venkovní teploty, okenním otvorem, průvanem, zateplením stěny či pokoje, přítomností osob nebo napájením elektrických zařízení).
Principiální schéma regulačního obvodu je zobrazeno na obrázku „Schéma regulace řízení“ v kapitole 6.1. Vstupem celého systému je požadovaná hodnota (w) a výstupem je aktuální hodnota (y). Jejich vzájemný rozdíl zachycuje odchylka e = w – y, která je vstupem do regulátoru. Řídicí jednotka zpracovává odchylky a dodává řídicí proměnné, která působí prostřednictvím pohonů na regulovaný systém. Řídicí jednotka se snaží minimalizovat odchylku aktuální hodnoty y pro přiblížení se požadované hodnotě w.
PID je nejpoužívanějším typem regulátoru. Společnou vlastností běžného P, PI a PID regulátorů je linearita. V případě proporcionálního regulátoru (P) je řídicí proměnná přímo úměrná odchylce.
Řídicí proměnná proporcionálně-integračního regulátoru (PI) je součet dvou složek – proporcionální (u které je stejně jako v případě regulátoru P řídicí proměnná přímo úměrná regulační odchylce) a integrační, která je přímo úměrná akumulované hodnotě regulační odchylky, tj. k jejímu integrálu. Integrační část je schopna dosáhnout nulové regulační odchylky v některých případech, kde je to nemožné s čistě proporcionálním regulátorem.
Výstup (řídicí proměnná) proporcionálně – integračně - derivačního regulátoru (PID) obsahuje dodatečnou derivační složku. Ta pak "anticipuje/předvídá" chování a umožňuje rychlejší odezvu na změny systému. Nevýhodou je citlivost na vysokofrekvenční šum, který je přítomný v každém měření, a který může vést k náhodné odezvě systému.
Dokud byly PID regulátory realizovány analogovými obvody, bylo to většinou operačních zesilovačů. Regulátory jsou nyní realizovány zejména softwarově. Tento software běží na mikroprocesoru, signálovém procesoru, nebo PLC v případě průmyslových aplikací, nebo i na běžném počítači.
Vyčíslíme výraz pro akční zásah:
uk = p·ek + i·Σek + d·Δek.
Integrál regulační odchylky je nahrazen sumou regulačních odchylek v diskrétních časech v každém kroku (Σek = Σek-1 + ek). Derivace je nahrazena zpětnou diferencí, tj. rozdílem mezi aktuální a předchozí hodnotou regulační odchylky Δek = ek – ek-1.