近年来,挖掘机的智能化、自动化使其逐步应用到更多领域,尤其在基础设施、水利水电、救援抗灾中的作用越来越突出。然而挖掘机工作装置系统具有多变量、强耦合等特点,使建立精确的系统模型,实现稳定、快速的轨迹跟踪控制面临巨大的挑战。本文以Swe85挖掘机为研究对象,建立挖掘机运动学和动力学模型,进行了轨迹规划分析,设计了非线性PID控制器,然后对挖掘机定点挖坑作业进行研究,实现了挖掘机工作装置在不同负载状况下的轨迹跟踪,具体工作如下:(1)对挖掘机工作装置运动学进行分析,首先使用D-H法建立了挖掘机工作装置的空间坐标模型。然后根据各连杆的D-H参数求得了各关节间的位姿关系,进而通过齐次变换矩阵得到了挖掘机工作装置相对于挖掘机本体的位姿,并推导出了挖掘机工作装置的正向运动学方程。最后使用解析法获得了挖掘机工作装置的逆向运动学方程。(2)对挖掘机工作装置进行动力学分析,给出了比较通用的液压缸传递函数模型,同时对系统的其他部分进行合理的简化,获得了动臂、斗杆、铲斗的控制系统模型,针对控制器参数选取问题,研究优化函数与NCD模块结合的参数整定方法,得到了最优的参数取值,完成了工作装置控制系统的设计,仿真结果表明所设计的控制器不仅提高了快速性,而且改善了系统的稳定性,具有较好的效果。(3)对单关节轨迹跟踪进行研究,将单信号输入斗杆关节控制系统,分析了系统对不同信号的响应性能,然后以组合信号模拟斗杆挖掘过程,对斗杆挖掘轨迹跟踪系统性能进行了分析。在此基础上,对挖掘机定点挖坑作业问题进行轨迹规划分析,根据挖掘机铲斗齿尖末端挖坑轨迹求取工作装置逆解,获得了时间最优的关节角度与角速度轨迹,最后以复合挖掘形式完成了空载状况下定点挖坑作业时间最短轨迹跟踪研究。(4)针对实际挖坑作业过程中,空载状况的挖坑作业并不能准确反映实际工况的问题,模拟挖坑作业过程的负载增加,设计了负载变化曲线,同时对系统添加负载后系统回稳慢的问题进行优化,研究了跟随负载变化来确定PID取值的方法,将时间最短的挖坑轨迹应用在实际挖掘过程中,解决了理论研究到实际工况中应用的过渡问题,使系统的性能参数更接近实际的挖掘过程。由仿真结果发现关节轨迹与铲斗齿尖末端位姿均能快速、稳定的跟踪目标轨迹,可实现高精度的挖掘机轨迹跟踪作业要求。