太阳能帆板系统是航天器的重要功能性部件,为航天器正常的在轨工作运行提供必需的电力能源,因此太阳能帆板系统能否在轨顺利展开对航天器系统至关重要。随着航天科学与技术的不断进步,空间站、大型空间望远镜以及空间太阳能电站等大型航天器不断被设计建造,因此可展开桁架-帆板系统越来越多地被应用到航天器中。相比传统的太阳能帆板,可展开桁架-帆板系统结构复杂、部件繁多、刚度低、跨度大,虽然这些特点在应用上使得相比于传统的小型帆板有了质的提升,然而也带来了实验和仿真的复杂性,建模仿真的计算量非常大,另外系统展开过程中还涉及到变拓扑、接触碰撞、间隙和摩擦以及控制设计等问题,合理地进行系统的建模和仿真面临着一定的挑战。本论文在国家自然科学基金(11272202,11132001)和上海市自然科学基金(16ZR1436200)的资助下,以可展开桁架-帆板系统为研究对象,对系统的展开动力学与控制问题进行研究,主要工作内容和研究成果总结如下:(1)采用变分原理建立了可展开桁架-帆板系统的动力学模型,引入了变拓扑的快速算法,对整个系统的展开过程进行了动力学建模仿真。仿真结果显示:本文的建模方法能够有效地对可展开桁架-帆板系统进行动力学仿真。基于此建模方法,通过数值仿真分析了系统中张紧机构、导向绳索和铰间阻尼机构对展开过程的影响。(2)考虑到可展开桁架多关节、多间隙的特点,给出了间隙问题接触检测和接触力计算的理论推导过程,建立了考虑桁架中三维旋转关节间隙的系统动力学模型,通过数值仿真分析了间隙对展开过程中桁架各部件以及柔性帆板的动力学行为的影响。结果显示:展开完成阶段折叠杆最终夹角与理想角度有一定偏差,并且间隙量较大时偏差会相对较大;间隙的存在会使得收藏箱出现横向位移,并且间隙量较大时横向位移会相对较大;间隙会导致靠近上收藏箱的柔性基板与理想状态下有一定偏差,并且最终平衡位置与理想状态有一定的偏离。(3)对考虑关节间隙接触和摩擦的可展开桁架-帆板系统动力学建模问题进行了研究。首先对现有的摩擦模型进行了分析介绍,然后给出一个空间三维旋转铰中摩擦力的计算方法,最后对考虑摩擦的可展开桁架-帆板系统进行动力学仿真,通过仿真结果对比分析了摩擦对系统动力学特性的影响。仿真结果显示:摩擦的存在会使得大部分可展开单元的展开锁定出现滞后,并且最终展开的锁定角度也会因摩擦的存在而减小;摩擦的存在能够一定程度上降低收藏箱的横向偏移,对收藏箱沿展开方向的位移没有明显的影响,然而对展开速度有较为明显的影响;摩擦会使得柔性基板的展开关节转交相比无摩擦的情况下更加不平缓,并对基板沿展开方向的位移有明显的滞后作用。(4)考虑到可展开桁架-帆板系统的大尺寸、低刚度等结构特性,建立了自由漂浮状态的带有可展开桁架-帆板系统的航天器动力学模型;在传统PD控制器的基础上设计考虑扰动估计的控制方法,并证明了其稳定性;最后对系统进行数值仿真,分析了展开过程对航天器本体姿态和位置的影响,并验证了所提出的控制方法对比传统PD控制器的有效性和优势。仿真结果表明:可展开桁架-帆板系统的展开会影响航天器本体的位置和姿态,所提出的PD控制器能够有效地抑制桁架-帆板系统展开所引起的航天器位姿的改变,并且能够取得比传统PD控制器更好的控制效果。(5)基于C++语言的面向对象技术,针对带有可展开桁架-帆板系统的航天器开发了具有通用性和扩展性的刚柔混合多体系统动力学仿真程序。首先结合具体例子介绍了C++面向对象技术的基本特征和常用操作,然后给出了程序仿真的流程及其他细节,最后通过几个简单算例对比验证了程序的通用性和正确性。