微分控制會根據誤差的變化率來回應。如果誤差快速減小，微分作用會降低控制輸出；如果誤差增加，則會增加輸出。它是一種預測性控制，能夠預判誤差的變化方向，並據此調整控制力道。

在PID控制器中，微分作用用D表示。它起到阻尼作用。如果沒有微分作用，高比例增益的系統會發生振盪。有了微分作用，系統能夠更快地穩定下來，並且超調量更小。微分項是透過誤差曲線隨時間變化的斜率計算得出的。

為什麼微分控制有助於

• 減少位置控制中的過衝。
• 抑制振盪。
• 提高高速系統的穩定性。
• 在錯誤變得很大之前做出回應。
• 需要乾淨的傳感器數據才能正常運作。

微分控制存在一個弱點：雜訊。對有雜訊的訊號進行微分會放大雜訊。不穩定的感測器讀數看起來像是快速變化的誤差，導致控制器反應過度。工程師會過濾掉微分項，或是在感測器上使用低通濾波器。有些系統完全省略了微分控制，而依賴比例積分控制。但對於需要快速、精確反應的系統，例如無人機飛行控制器或機器手臂關節，微分控制的優勢難以匹敵。它決定了系統是搖搖晃晃地停止，還是平穩地滑入到位。