입력 시간의 미분값에 비례하는 크기의 출력을 내는 제어 동작을 말한다. 편차가 일어나기 시작할 때에 큰 정정 동작을 가함으로써 프로세스의 지연을 없앤다. 미분 동작은 단독으로 사용되지 않으며 반드시 P동작, PI동작과 결합하여 사용된다. 아래의 그림에 이것의 입출력 관계가 나타나 있고, 그것의 제어식은 다음과 같다.

여기서 TD는 미분 시간이라 한다. 이것은 아래의 그림에 나타난 것과 같이 Lamp 응답의 경우 비례 동작만에 의한 출력과 미분 동작만에 의한 출력이 같게 되는 시간이다. PID 동작은 어느 정도의 불필요한 시간이 있는 프로세스라도 양호한 제어를 할 수 있다.