비선형 모델 예측 제어는 시스템의 비선형성을 고려하여 설계된 MPC 방식이다. 비선형 시스템의 동작을 보다 정확하게 예측하기 위해 비선형 모델을 사용하며, 선형 MPC보다 더 복잡한 최적화 문제를 해결해야 한다. 이를 통해 보다 복잡한 시스템에서도 높은 성능을 유지할 수 있다.

하지만 비선형 제어는 계산 비용이 매우 높아 실시간으로 적용하기 위해서는 고성능 하드웨어가 필요할 수 있다. 따라서 응용 분야에서는 계산 효율성을 고려하여 비선형 MPC를 사용할지, 근사 선형 모델을 사용할지 신중한 선택이 필요하다.