天梯系统是一种为解决低成本空间运输的空间系绳系统,其高效率、大荷载、可重复利用等特点,在航空航天领域具有广阔的应用前景。西方国家自2000年以来逐渐对天梯系统的动力学与控制等方面进行了深入研究。本文旨在分析天梯系统的特征参数对系统结构及性能的影响,并研究系统动力学行为,为我国天梯研究和发展提供理论依据。本文以传统的赤道天梯系统为基础,应用静力学、非线性动力学、最优控制等方法,通过系统建模、理论分析、数值仿真等手段,深入研究了系统部署纬度对天梯系统的构型、运载能力、系统稳定性、模态的影响,以及攀爬器攀爬过程中系统的动力学响应和面内、外振荡抑制的问题。论文的主要内容和成果如下:首先,理论论证了赤道天梯系统的可行性,总结了赤道天梯系统结构设计方法,获得了核心参数对系统规模影响规律,并给出了系统负载能力的计算方法。在此基础上,提出了采用离散模型设计非赤道天梯系统的方法,通过对比分析论证了该方法的有效性和精确性。结果表明,该方法可以精确计算系统的部署范围及负载能力。其次,采用Lagrange方法建立计入大气阻尼的赤道天梯刚性绳索动力学模型,借用线性稳定性定理对原非线性系统在平衡点附近的拓扑等价线性方程进行了稳定性分析。结果表明,原非线性系统在平衡点位置是渐近稳定的。为了充分描述攀爬器与绳索之间的耦合振荡,采用Newton-Euler法建立适用于任意部署纬度的高维度离散非线性动力学通用模型。基于系绳空间静平衡构型,应用二项式定理和余弦定理提出了高维非线性动力学方程线性化方法,分析了系统的模态。仿真结果表明,除了一阶模态和五阶模态外,其余各阶模态均对系统部署纬度不敏感。然后,基于攀爬器运行轨迹预测方案及PI控制器,通过数值仿真,研究攀爬器攀爬过程中天梯系统的非线性动力学响应。结果表明,系统的动力学响应主要基于绳索的前两阶模态振型,极限残余振荡角度幅值在10^-1度量级,非赤道天梯系统垂向响应比横向响应小一个量级;残余振荡角的幅值会随着部署纬度、攀爬器荷载及巡航速度的增大而增大。此外,简单分析了日、月摄动引力对系统的影响,发现日、月摄动引力主要激起绳索的面外振荡;太阳摄动引力对绳索的影响量级基本与攀爬器对绳索的影响量级相当,而月球摄动引力对绳索的影响比攀爬器对绳索的影响大2个数量级左右。通过提取出天顶锚的响应频谱,论证了前文模态分析结论的正确性,以及数值仿真算法及结论的可靠性。最后,考虑到绳索残余振荡带来的不利影响,改进了一种基于近似时间比的被动控制方法。研究发现,以牺牲攀爬器运行时间为代价,通过增加攀爬器减速段时间可以将系统面内残余振荡角幅值抑制在10^-3度量级。为了提升攀爬器运行效率,提出七段式攀爬器速度加载方案,应用序列二次规划（SQP）方法,优化攀爬器反向运动时间。结果表明,该方法可以使得系统的残余振荡响应为零,并极大提升攀爬器的运行效率。在此基础上,增加发射窗口、巡航速度约束条件,避免了攀爬器运行期间相互碰撞问题。