现代超精密制造、加工、测量仪器对工作环境提出了苛刻要求,尤其是以光刻机为代表的超大规模集成电路制造设备,其高集成度导致常规散热方法远远不能满足要求,同时投影物镜的光刻质量、运动部件的定位精度以及测量装置的测量精度等都对环境参数的变化特别是温度的变化尤为敏感。因此,环境参数尤其是温度的控制成为一项关键技术。高精度循环冷水机温度控制系统是保证步进扫描光刻机、微纳坐标测量机、扫描探针显微镜等超精密仪器设备良好工作状态的重要组成单元。针对以上应用背景和需求,本课题研制一种基于半导体制冷的高精度循环冷水机,以解决现有循环冷水机温度控制精度低、调节时间长、鲁棒性差等问题。本课题主要研究内容如下:首先,在对国内外高精度循环水温度控制系统原理结构、控制算法、驱动方法以及现有产品调研分析的基础上,指出了其原理、方法或产品的缺点和不足,进而根据项目需求和设计指标完成了基于半导体制冷和电加热方法的循环冷水机温度控制系统总体方案的设计,并基于温度控制系统自身特点和控制精度需求,完成了大功率驱动器的选取和高精度控制算法的方案设计。其次,根据高精度循环冷水机温度控制系统总体方案,详细设计计算了以半导体制冷片和电加热管为核心元件的换热执行器结构尺寸。同时,在ANSYS仿真环境下,分别仿真分析了换热结构的变形量、流场(速度场)及温度场分布,验证了设计过程的合理性和正确性,为进一步的优化提供了方向,进而完成了结构参数的选取。再次,针对循环冷水机温度控制系统非线性、时变、大时滞等特性,对高精度的温度控制算法进行了详细设计。通过采用极限环继电辨识方法在线对PID控制参数进行自整定,再结合经典PID控制和模糊控制两者的优点,完成了具有自整定功能的模糊PID控制器设计,仿真表明模糊PID控制器具有超调量小、调节时间短、精度高等特点。最后,搭建了实验平台,对循环冷水机的主要性能指标进行了测试。根据实验测试结果,本课题研制的高精度循环冷水机温度控制稳定性优于±0.01℃,峰值制冷功率为1k W,控温范围为16℃~26℃,控制分辨力优于0.005℃,并且具有较强的鲁棒性,达到了预定的设计指标,很好地满足了项目需求。