挖掘机是国家基础设施建设不可或缺的重要施工机械,作为典型的机电液集成化装备,在外部作业环境复杂,载荷工况多变条件下,其工作装置的系统建模与有效控制一直是难点并历来为业界所关注。为了拓展挖掘作业条件,提高作业效率,本文基于现代先进控制理论,建立了挖掘机基于旋量理论运动学与动力学模型,结合挖掘机铲斗-土壤动力学分析,采用滑模变结构控制完成了对铲斗斗尖轨迹跟踪。首先,基于旋量理论完成了挖掘机工作装置运动学与动力学分析。旋量计算优势明显,建模过程几何意义突出,在机器人技术中得到广泛应用。挖掘机工作装置作为典型的单开链机构,采用指数积公式（POE）建立其正向运动学模型,将逆运动学求解分解为解已知的Paden-Kanhan子问题,同时分析了挖掘机工作装置微分运动学,求取了速度雅可比矩阵,并基于反旋量计算了逆微分运动学。最后基于旋量形式Kane方程完成了挖掘机工作装置动力学建模。其次,针对挖掘机铲斗-土壤相互作用建立了数学分析模型,并在离散单元法（DEM）-多体动力学（MBD）联合仿真条件下对铲斗挖掘土壤过程进行了模拟。数学分析模型中铲斗阻力不仅包括土壤并入铲斗速度变化引起的惯性力,还计及斗齿阻力。联合仿真采用离散单元软件EDEM与多体动力学分析软件Recur Dyn进行耦合,通过在Recur Dyn中建立挖掘机工作装置虚拟样机,设计驱动函数,在EDEM中设置土壤颗粒参数,生成料床,设置耦合物理环境,最终运行完成联合仿真。联合仿真铲斗受力曲线与数学分析模型计算结果在挖掘深度增加阶段吻合,验证了数学分析模型的正确性。针对铲斗-土壤数学分析模型中土壤关键参数估计,设计并采用遗传算法。根据侵入土壤阶段的峰值阻力--土壤破坏力估计的经验模型,Mohr-Coulomb土壤破坏模型与CLUB土壤破坏模型进行分析。由曲柄滑块电铲试验台获得的土壤破坏力数值及实验数据,对工具-土壤相互作用力数学分析模型中土壤内摩擦角Φ,土壤容重ρ,土壤-工具摩擦角δ,及土壤内部粘聚系数c采用遗传算法估计。随着约束方程数的增加,土壤参数估计精度提高。通过对比,遗传算法相较牛顿迭代法,最小二乘法能更精确的估计土壤参数。由数学分析模型,挖掘机铲斗-土壤相互作用力受土壤内摩擦角,铲斗运行速度,切削角度,土壤容重,粘聚系数等影响,挖掘阻力难以精确模拟,为此本文采用滑模变结构控制挖掘机铲斗轨迹,将铲斗-土壤相互作用力作为干扰引入控制系统,对未建模动态和误差进行补偿。首先根据挖掘作业中常见的整坡作业进行轨迹规划,得到作业空间与关节空间的规划轨迹。不考虑液压缸驱动系统时,在关节空间设计了自适应滑模控制器,相较传统滑模控制,不需要干扰上界的先验知识,降低和消除了抖震,提升了轨迹跟踪效果。其次根据关节空间与液压驱动空间力与位移的关系,计算了驱动空间液压缸杆的规划轨迹。在液压驱动空间,设计了基于高增益观测器的滑模控制器。高增益观测器只需整定带宽,滑模控制中采用滑模面函数取代控制输入切换项中的符号函数,避免了抖震,通过奇异摄动理论,证明了观测器与控制器组成的闭环系统稳定性。所设计控制系统减少了控制所需状态信息而须加装传感器的数量,降低了控制成本。仿真表明通过降低观测器带宽,提高滑模控制器切换增益,能进一步提高轨迹跟踪精度。