在半导体制造工艺迈入20纳米的今天，半导体制造设备光刻机也进入了极紫外光刻技术阶段，为了保证光刻成像精度，光刻机投影物镜必须保持±0.01℃的温度稳定性，精密水温控制系统就是用来控制光刻机这一重要指标的设备。我国于本世纪初才涉足半导体制造装备产业，目前任处于起步阶段，其水平较世界发达国家尚有不小差距，发展我国自己的半导体制造装备成为当务之急。本课题来源于国家02重大专项“193纳米光刻机”子项目“光学投影物镜冷却水温度控制系统”。根据课题需要，本文对温度控制系统进行了比较系统深入的理论分析和计算机仿真实验研究，包括多种典型控制方法分析，保证了所设计精密水温控制系统达能到±0.01℃的控制精度。本文第二章首先对精密水温度控制系统进行了理论设计分析，从系统结构，电气控制和控制原理三个方面进行概述，然后对制冷器、加热器和系统管路的动态特性和物理特性进行了理论分析，采用机理法和实验法推导出被控对象的数学模型。本文第三章基于推导的数学模型，用典型的PID控制进行了系统仿真，从理论上分析了PID控制对本文设计系统的可行性。针对所研究系统的大延时特性，在PID控制基础上进行了史密斯预估补偿方法的理论分析与仿真实验研究。最后总结前两种控制算法的优缺点，设计了多模参数自整定模糊PID控制方法，该控制算法具有参数自整定和多模态切换的功能，是一种分段控制方法，对系统的响应速度和控制精度具有重要意义。仿真结果证明该控制算法设计正确，可以为以后实现硬件设计提供有益的参考。本文第四章对温度控制模块进行了硬件设计，选用PLC和智能温控仪作为控制器，半导体制冷器和浸入式电阻加热器作为执行器，高精度铂电阻作为温度传感器，完成了温度控制模块电路设计，并为系统设计了安全保护模块，编写了部分控制系统程序。最后对所设计的精密水温控制系统进行了装机调试，在不同实验方案下进行测试，测试结果表明该装置的控制精度和控制性能均能满足设计指标要求。