利用直接記錄或分析系統的輸入和輸出信號的方法估計系統的非參數模型。所謂非參數模型是指系統的數學模型中非顯式地包含可估參數。例如，系統的傳遞函數、頻率回應、脈衝回應、階躍回應等都是非參數模型。非參數模型通常以回應曲線或離散值形式表示。非參數模型的辨識可通過直接記錄系統輸出對輸入的回應過程來進行；也可通過分析輸入與輸出的自相關和互相關函數(見相關分析法建模)，或它們的自功率譜和互功率譜函數(見頻譜分析方法建模)來間接地估計。非參數模型是經典控制理論中常用的描述述線性系統的數學模型。傳遞函數反映輸入與輸出的拉普拉斯變換在復數域上的響應關系，頻率響應反映它們的傅裡葉變換在頻率域上的響應關系，而脈沖響應和階躍響應則是在時域上的響應關系。它們從不同的方面反映系統的動態特性。非參數模型比參數化模型直觀，辨識非參數模型的方法和計算也比辨識參數化模型的簡單。脈沖響應可以用直接記錄輸入脈沖函數的輸出響應的方法來辨識；頻率響應也可以直接利用單頻正弦輸入信號的響應來辨識。但是這種直接辨識方法隻能應用於無隨機噪聲的確定性系統。對於有隨機噪聲的系統或隨機輸入信號，必須使用相關分析法或功率譜分析方法。隨著快速傅裡葉變換儀、偽隨機信號發生器和相關儀的問世，辨識系統的非參數模型已變得比較容易。但非參數模型應用於實時控制和適應性控制仍不如參數化模型方便。非參數模型在某些情形下，可以轉化為參數模型。例如，如果一個系統的傳遞函數可以表示為有理分式H(s)=K/(a+s)，則系統的模型可以用常微分方程y＇+ay=ku表示，a與k為待估計的模型參數，這是參數化模型。又如，對於離散系統的權函數序列（離散脈沖響應序列）{hi，i=0,1,…}，如果在i充分大（如i>N0），而│hi│充分小時,則模型可以表示為
並可用最小二乘法給出有窮權函數序列{
hi，i=0,1,…
N
0}的估計。一般說來,由參數模型容易獲得非參數的脈沖響應或頻率響應，但由非參數模型化為參數模型則要困難得多。
參考書目
P.艾克霍夫著，潘科炎、張永光等譯：《系統辨識：狀態與系統參數估計》，科學出版社，北京，1980。(P.Eykhoff, Systems Identification, Wiley, London,1974.)