机车柴油发电机组的输出电能质量决定机车用电设备的运行特性，而柴油发电机组的转速是否稳定会直接影响其输出电能质量。因此，转速的稳定控制是保障机车用电设备性能的关键因素。目前，柴油发电机组调速系统存在响应速度慢、控制精度差以及负荷变化较大时机组输出电压幅值和频率波动较大的问题。所以，研究柴油发电机组调速器具有重要的现实意义。无模型控制是一种不依赖于被控对象精确数学模型的先进控制策略，对非线性、延迟、时变等特性的系统具有很好的控制效果。针对机车柴油发电机组调速系统在负荷变化时响应特性差的问题，采用无模型控制与PID控制串联的方式，在常规PID控制下，加入无模型自适应控制，对系统转速偏差进行控制。首先，建立了机车柴油发电机组调速系统的数学模型；然后，利用Matlab中Simulink搭建了系统的仿真模型，并进行仿真研究。仿真结果表明：柴油发电机组采用无模型PID控制，能够在负荷变化时，有效地减少瞬时调速率和稳定时间，并使其转速过渡过程变快且保持相对平稳，以保证输出电能质量；最后，利用Quanser半实物实验平台对系统进行类比实验，设计了调速系统的硬件结构和软件流程图，验证了无模型PID控制方法可行并且具有工程实际意义。