随着石油化工、航空航天、生物医疗等领域研究的深入,对相关测试仪器温度发生系统的温控精度以及低温范围提出了更高的要求。多级热电制冷器因其温差大、热惯性小、升降温切换方便等优势,在仪器温度发生系统中应用前景广阔。本课题以多级热电制冷器作为研究对象,从总体设计、模型计算、温控算法等方面开展了高精度低温发生系统的研制工作。首先,结合低温特性分析仪的应用场合,选用三级热电制冷器作为制冷/加热源,提出压缩机辅助热端降温的散热方式,设计温控对象与温控系统方案。分析多级热电制冷器内部各参数之间关系,计算热损失,建立多级热电制冷器温控对象瞬态模型与稳态参数预测模型。通过实验验证模型准确性,并根据计算结果确定压缩机参数。其次,结合多级热电制冷器非线性、时变性的特点,针对恒温控制设计位置式变速抗饱和积分PID算法,并分析其参数整定方法;针对升降温速率控制提出增量式变增益单神经元PID算法,并采用遗传算法解决单神经元PID中不同初值导致的局部极小值缺陷。最后,搭建高精度低温发生系统,并校准热电偶测温系统。通过实验对测温性能、温度上下限能力及温控性能等进行评价,结果表明:热电偶温度测量精度优于0.025℃;温度上限超过70℃,温度下限低于-70℃;升降温速率范围满足-10℃/min~10℃/min;恒定温度控制精度0.03℃;恒定升降温速率控制精度优于0.07℃/min。