无拖曳航天器是实施引力波探测、重力场测量等任务的关键平台。为满足空间引力波探测任务需求,推进系统的推力分辨率需要达到亚μN量级,这就对推力器和控制系统的设计设法和工作性能提出极高要求。本文从我国未来空间引力波探测任务出发,对无拖曳航天器的微牛级压电冷气推力器和系统控制方法进行了设计方法、机理和工作特性方面的基础研究,为我国空间无拖曳航天器的研发提供技术指导和理论支撑。首先围绕微牛级压电冷气推力器开展了结构和压电驱动方式的设计,并对推力器微喷管内的多尺度稀薄流动机理进行了仿真分析,并基于推力计算结果建立了微推力器的推力模型。采用小挠度弯曲理论,考虑压电材料和弹性基座材料的本构关系,建立单晶片压电晶片的电-机特性数学模型,获得了压电片驱动电压和挠度之间的解析关系。借鉴蚂蚁阶梯过河原理,提出一种多片单晶片串联和翘曲放大的压电驱动器。该新型驱动器可根据实际位移输出需求,通过增加压电片数量来达到所需的位移。解决了单压电晶片驱动器的大直径、高电压和低可靠性问题。本次研究设计的驱动器可在驱动电压120V时输出位移为51.997μm。采用该驱动器控制的微推力器可实现1～300μN宽范围推力调节。采用扫描电镜和粗糙度测量获得了微喷管内流道壁面的显微形貌结构和粗糙度特征,通过将粗糙壁面理想化为正弦波型并引入Washboard模型描述氮气分子与正弦波壁面发生的碰撞偏转过程,同时引入壁面固体原子势阱作用模型描述气体分子在近壁面附近的折射效应,最终建立了改进的CLL模型。在此基础上建立微推力器微喷管内流动过程的DSMC数学模型。通过对比微喷管推力试验结果分析了流动模型的计算性能。通过计算不同针阀开度、入口温度和压力下的微喷管流动,分析了3方面内容:1)微喷管内存在的多尺度稀薄流动特性及其与微喷管针阀开度间的关系;2)微小开度（开度<1%）下的微喷管稀薄流动机制;3)入口温度和压力对微牛级推力器内流动特性的敏感性;4)获得微喷管推力与入口压力、开度或喉口当地Kn数的MAP,并建立推力模型。研究发现微喷管内流动机制受针阀开度影响显著,当针阀开度从1%降低到0.25%时,过渡流开始位置从针阀尖端下游约4倍流道直径区域逐渐上移至针阀尖端区域。然后基于AMESim软件建立了微牛级压电冷气推进系统的一维仿真模型。通过调整气瓶压力、减压阀质量块质量、减压阀弹簧刚度和管路容积,分析系统参数对填充特性的影响规律。通过改变蓄压腔压力、介质温度、阀芯锥角角度、阀口直径、阀体容积、阀芯组件和系统阻尼取值,分析系统的流量和推力特性。通过引入压电驱动电压激励,研究激励对针阀位移和推力波动的影响规律。该部分研究建立的一维系统模型为闭环控制研究提供输入参数边界,并为微流控模块结构优化设计和控制策略提供依据。再次,针对固定参数PID控制很难在宽流量范围内满足快响应和高精度性能需求的问题,提出了基于数据驱动PID的流量控制策略。利用历史控制数据,提出基于最速下降法的PID参数调节方法,并完善适应宽流量范围的PID参数数据库。分析迟滞、蠕变和振动非线性对控制性能的影响机理,采用扫频激励辨识蠕变和振动子模型、变频率激励和粒子群优化方法,建立基于MPI的迟滞子模型。通过数据驱动PID做反馈来抑制未建模动态和外部干扰的作用,提出基于逆模型和数据驱动PID的前馈/反馈复合控制方法。最后,搭建了微牛级压电冷气推力器流量实验系统及推力实验测试系统,结合微牛级压电冷气推力器面临的科学问题设置了相关实验并进行了实验测试,具体包括电压-位移动态测试、温度对开启电压影响测试、开度-流量-推力测试及稀薄流动下极小推力实验研究,并与仿真结果进行了对比分析,验证了流动模型和一维推力系统耦合模型计算结果的准确性。通过建立Matlab/Simulink控制/AMESim一维推力系统耦合模型,并对系统的振荡延迟特性进行仿真分析。结果显示,数据驱动PID控制可有效消除外界干扰,提高系统鲁棒性;与数据驱动PID控制器相比,本控制方法的响应速度得到显著提升。