针对当前机床加工领域中的环境微扰问题,本文设计了一种基于半导体制冷的多级精密快速环境温度控制系统,用于解决对局部环境温度场的高精度控制。首先设计了一种应用铂电阻的量程可控、高精度测温电学系统,温度的最高分辨力可达0.02。然后通过对半导体制冷数学模型的建立,确定了制冷能力的影响因素,通过引入半导体制冷片的散热,设计了一种可控制其工作状态的电学系统,以得到不同的冷热功率输出。接下来设计了一种新型半导体制冷片分布方式的腔体式的强制对流温控载体,并结合电学系统,给出采用PID算法的温控系统架构。而后在温控耦合物理场的仿真中,证实了载体设计相对较优,腔内强制对流可实现快速控温,得到了多级控温系统之间的比例参数配比关系等结论。最后结合隔热、除湿材料的选材,以及温控载体机械结构设计,完成对温控系统的实验搭建,验证了腔内强制对流的快速控温能力,实现环境局部区域温度最高达±0.02℃的控制精度。通过论文给出的对环境温度有效控制方法,可将其扩展用于机床加工的环境控温,对提高其加工精度的意义深远。