盾构技术是集液压、制造、控制、测量技术等多学科交叉为一体的现代掘进技术,因其速度快、自动化程度高、对地面建筑影响小,有利于保护环境,已成为交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施建设中重要的地下开挖技术。随着盾构法技术、液压技术、测控技术和自动化控制技术的飞速发展,盾构机施工的全机械化、全自动化成为必然趋势。盾构机掘进过程轨迹跟踪控制是盾构机掘进施工的最为关键的问题之一。论文以此为选题,开展了盾构机位姿控制模型的研究。主要工作和研究内容如下。论文首先对盾构机推进系统的作用原理进行了系统分析,在对影响掘进机位姿的超挖面积、刀盘旋转方向、盾尾间隙、盾体滑动、土体的松动等因素分析的基础上建立了盾构机掘进过程的动态载荷模型;并进一步建立了盾构机掘进过程中的动力学和运动学模型。为验证模型的有效性,在Pro/E和ADAMS平台上对模型进行了物理仿真,在Matlab平台进行了数字仿真。结果表明:所建立的盾构机掘进过程中的动力学和运动学模型比较好地刻画了盾构机的动力学和运动学特性。利用该模型从理论上给出了盾构机推进系统的非完整性和欠驱动特性;为了实现盾构机位姿控制的目的,论文还讨论了推进系统的可控性问题。在此模型的基础上,提出了模糊变结构的轨迹跟踪控制方法,从而为实现盾构机掘进过程轨迹跟踪控制奠定了重要基础。