叠加原理的系统（非线性系统），适用于较多的真实世界系统，因为所有真实世界的系统都是非线性的。其统御方程是非线性微分方程，要处理非线性控制的理论比较严谨，也比较不具一般性，只能适用在一些特定种类的系统。这些技术包括极限环理论、庞加莱映射、李亚普诺夫函数及描述函数。若只需要研究非线性系统在某稳定点附近行为，可以用近似的方式将非线性系统线性化，方法是将非线性解表示为无穷级数，再利用线性的技巧来处理。非线性系统一般会用电子计算机中的数值方法来分析，例如用来仿真其行为。有时虽然受控体是线性的，但使用非线性控制会让实现