19世纪后半叶至20世纪初，反馈控制器已经被大量应用。埃尔默·斯佩里(1860-1930年)敏锐地注意到人进行控制调节时不是简单地采用开关控制，而是综合运用了预测、当过程变量接近设定值时撤出控制以及当存在持续偏差时进行小幅度调节、缓慢控制等方法。斯佩里1911年设计出了采用较为复杂的控制规律(PID控制结合自动增益调整)的船用自动驾驶仪，这也被认为是最早发明的PID控制器。1922年，米诺斯基(1885-1970年)从理论上清晰地分析了船的自动驾驶问题，推导出了我们现在称为三项控制器的PID控制器形式。
自18世纪末以来，负反馈就被用于控制连续过程。瓦特使用飞球式调速器在发动机转速下降得过低时自动增加蒸汽，当发动机转速上升得过高时，自动减少蒸汽。这个简单的平衡行为仍然是今天反馈控制器的基本功能：测量过程变量，设定值减去过程变量就可以得到偏差；如果偏差为正，则控制器努力向上驱动过程变量，如果偏差为负，则控制器努力向下驱动过程变量，这样一直重复，直到偏差被消除。
控制器设计中棘手的是计算出控制器在每种情况下应该对过程产生多少控制作用。比例控制器只是简单地将偏差乘以一个常数来计算它的下一个输出，瓦特的飞球式调速器就是根据一个常数机械地做到这一点，这个常数是由设备的几何形状和一个可调节的固定螺钉的位置决定的。
瓦特所用的飞球控制转速，实际上是纯比例控制。调节杠杆的长度就是改变比例增益。比例作用比较容易理解，工业领域刚开始使用的控制器都只有比例作用。如1907年，美国塔利亚布制造公司在纽约的一台牛奶巴氏杀菌机上安装了第一台气动自动温度控制器。采用气动控制，测量单元用的是压差，通过不锈钢温度计的水银推动舵阀，舵阀控制空气压力作用到主阀上，主阀来调整对象的流量。该控制器从原理上讲也是纯比例控制。
遗憾的是，比例控制器往往会在将过程变量控制到接近设定值时停止工作。比例控制器将确定一个固定的输出，使过程始终存在一个非零的偏差。这就是我们常说的：“纯比例控制有余差。”
20世纪30年代，控制工程师发现，通过将偏置自动重置到一个人为的值，可以完全消除稳态余差。这个想法是不断地改变比例控制器的偏置，这样当控制器停止工作时，实际偏差将为零。只要实际偏差处于非零，控制工程师就通过缓慢增加或减少人工偏置来减小实际偏差。
碰巧的是，这种自动重置操作在数学上等同于对偏差进行积分，并将其叠加到控制器的比例项输出上。结果就是一个比例积分控制器将持续产生一个不断变化的输出，直到偏差被消除。
遗憾的是，积分作用并不能保证完美的反馈控制。如果积分作用过于激进，比例积分控制器可能导致闭环不稳定，控制器会对一个偏差进行过度校正，并在相反的方向上产生一个新的更大的偏差。当这种情况发生时，控制器的运行结果是开始在某个最高点和某个最低点之间来回驱动控制器输出，这种现象被称为“振荡”。
有时可以通过微分作用来减少振荡。在一个完整的PID控制器中，微分项只有在偏差发生变化时才有作用。如果设定值是常数，则只有当过程变量开始远离或接近设定值时，偏差才会发生变化。如果控制器之前的动作导致过程变量过快接近设定值，微分作用将特别有帮助。由微分作用提供的阻尼效应降低了闭环控制系统出现超调和振荡的可能性。
遗憾的是，如果微分作用特别激进，它可能会急刹车，导致自振。这种效应在对控制器的作用有快速响应的过程中尤其明显，如无人机、机器人等。
设定值改变会导致偏差突然变化，微分作用会在控制器的输出中添加一个陡峭的峰值，这会使控制器立即开始采取纠正作用，而无需等待积分作用或比例作用生效。与比例积分控制器相比，一个完整的PID控制器甚至可以提前做出使过程变量维持在新设定值的控制作用。实际上，当泰勒仪表公司著名的富尔斯普控制器第一次引入这三个术语时，微分项被称为“预作用”。微分项模拟了通过对偏差的未来进行预测并预先采取控制作用的预控制作用。
使用修正的微分项消除了在设定值改变时微分作用引起的控制器输出尖峰。但是，如果设定值频繁进行阶跃变化，修正的微分项将产生偏差。
对于存在噪声的过程变量来说，微分作用也很容易出现问题。每当过程变量出现变化时，微分项将对控制器输出做出调节。即使实际的过程变量已经达到设定值，控制器也可能始终采取纠正作用。因此，许多控制工程师认为微分作用的麻烦多于它的价值。针对噪声，几乎所有的现代控制器都提供了滤波选项，以实现一个更加平滑的微分项输入。
到20世纪30年代中期，完整的PID控制器已经成为最先进的控制器，并一直占据主导地位。它适用于大多数过程控制应用，因为它相对容易实现，基本工作原理符合人类的操作方式，也很容易被理解。
在20世纪30年代后期，泰勒仪表公司和福克斯波罗公司都发明了包括微分作用的PID控制器。PID控制器出现在他们的产品目录中标志着一个分水岭：曾经的特殊产品现在被作为标准产品提供。早期的发明意味着新观念的出现。从历史的角度来看，这标志着从发明时代到创新时代的转变。
PID控制器的价值已经在一些应用难题中得到了证明。到1940年，两家领先的仪表公司开始出售气动控制器，但在其广泛应用于工业之前，仍有许多工作要做。首要问题是如何为控制器找到合适的参数，如果没有更简单的方法来找到最优参数，那么就不能给现场提供一个简单的整定方法，从而影响PID控制器的使用。
1942年，在著名的论文《自动控制器的最优设置》中，泰勒仪表公司的齐格勒和尼克尔斯提出了开环和闭环两种情况下找到适当控制器参数的方法(ZN整定方法)：响应曲线法和临界比例度法。ZN整定方法是PID参数整定科学化的起点。齐格勒和尼克尔斯是公认的PID工程整定方法的开山鼻祖。这个方法是基于气动控制器和在麻省理工学院的美国唯一的一台模拟机，当时叫微分分析仪的大量实验而发展起来的。尼克尔斯后来留在麻省理工学院做了很多伺服系统的工作。尼克尔斯传奇的一生服务多家公司并为控制理论的发展做出了卓越贡献，为了纪念尼克尔斯，1996年开始，国际自动控制联合会专门设立了一个尼克尔斯奖。
