在军事、医疗、科学研究时，常需要在小空间实现高精度的低温环境，满足特定的应用场合，传统的机械压缩式制冷方式因其体积大、耗能多、污染严重、噪音大、不易控制等缺点，不能满足该制冷要求，基于帕尔贴效应的半导体制冷技术具有体积小、降温快、无污染、精度高的特点，是应用于这一领域的最佳方案。但是，现今在如何提高半导体制冷效率和控制精度等方面还不够成熟。本文以小型半导体制冷试验箱为研究对象，从提高半导体制冷速度、均匀性、稳定性和消除误差四个方面入手进行了半导体制冷性能和恒温控制算法的研究。主要进行了以下工作：以半导体制冷和传热学为基础，通过对半导体制冷工况的计算，得到其工况的最优设计方案；通过对半导体制冷空间温度场的ANSYS数值分析和冷负荷的理论计算，得到了半导体制冷试验箱的最优结构设计方案；建立了恒定产冷量系统的Matlab/Simulink模型，并通过仿真实验求出了半导体制冷片所能达到的极限制冷能力；为实现半导体制冷系统的高稳定性、高精度的恒温控制，采用PID控制方式，建立控制系统的仿真模型，利用Simulink模块进行仿真，比较分析仿真结果，验证了PID控制方式能很好的满足设计要求。论文重点通过实验手段研究了不同制冷功率、制冷器安装位置、环境温度和通电电流大小等因素对半导体制冷性能的影响，为提高半导体制冷速度提供一定的理论参考。通过对半导体制冷箱的设计和恒温控制系统的研究，得到了半导体制冷性能优化与开发的实验环境，在此基础上，对制冷性能和恒温控制进行了实验分析，得到了最佳的控制方案和参数，为提高半导体制冷效率和控制精度奠定了一定的理论基础。