近年来,国民经济的迅猛发展有目共睹,随着市政基础设施、水利水电工程和矿石开采等建设项目的数量以及投入力度的不断增加,对大型挖掘装载装备的需求越来越高,由于正铲液压挖掘机承载能力大,作业效率高,作业范围广等优点,越来越多的用户选择正铲液压挖掘机进行挖掘装载作业。然而,国内对正铲液压挖掘机设计与分析的相关研究资料较为短缺,而且国外知识产权长期垄断并且构型较为单一。基于此,本文从机构创新设计的角度,提出了一种新型的适用于正铲液压挖掘机的多环路耦合机构,并对该机构进行了较为全面工作特性分析与控制器设计。本文按照构型优选——运动学分析——动力学分析——虚拟样机仿真——控制器设计的流程进行研究。基于“平面12杆3自由度运动链拓扑图图谱库”对正铲液压挖掘机的机构进行构型综合,并根据正铲液压挖掘机工作特性评价指标建立运动链筛选原则,优选得到合适的构型。基于运动链环路理论和模块化图形组态对新型挖掘机机构建立了运动学分析流程图并进行了较为全面的运动学分析与建模,得到了机构的位置解、速度解、工作空间以及三组状态空间映射关系。通过对比仿真结果,证明了运动学分析的正确性。基于凯恩方法和能量守恒原理分别建立各个构件对关节变量产生的广义力矩,并基于力矩平衡原理建立驱动力与广义力矩映射关系,从而推导并建立动力学数学模型。基于Solid Works和ADAMS平台建立了新型正铲液压挖掘机的三维虚拟样机模型。基于ADAMS对动力学特性进行仿真分析,并与由MATLAB计算得到的动力学数学模型仿真结果进行对比分析,验证了动力学数学模型推导的正确性。以动臂液压缸控制系统为例讨论了液压缸系统建模过程,推导并建立三组液压缸传递函数。未加入控制器前,控制系统是稳定的,但跟踪过程误差较大,且相位有延迟,不能在较短时间内跟踪控制量。加入PID控制器后,系统稳定,响应时间与调节时间明显缩短,跟踪效果比较明显,基本满足实际控制的要求。