Centre Automatique et Systèmes (CAS)

Le Centre Automatique et Systèmes (CAS) de Mines Paris – PSL est spécialisé en théorie du contrôle, un champ des mathématiques appliquées s’intéressant à la commande des systèmes dynamiques.

Le CAS est l’un des 18 centres de recherche de Mines Paris – PSL et fait partie du département Mathématiques & Systèmes, l’un des cinq départements définis selon les grandes thématiques et enjeux d’avenir de l’École. S’inscrivant dans une démarche de recherche à double impact, le CAS allie recherche académique et collaborations industrielles.

Au sein de l’Université PSL, reconnue pour son ouverture internationale, l’École offre au CAS un cadre idéal pour allier enseignements théoriques et applications pratiques.

La recherche en circuit court avec les acteurs issus d’autres domaines – qu’ils soient scientifiques (physique quantique, microfluidique, optimisation) ou industriels (génie des procédés, robotique, électrotechnique, aérospatial) – contribue à l’enrichissement de la théorie du contrôle, de ses fondements théoriques jusqu’aux détails de son implémentation dans des boucles en temps réel.

Le CAS a développé des avancées majeures, telles que :

• La théorie de la platitude
• La théorie des observateurs invariants
• Des algorithmes de contrôle déployés dans des dispositifs industriels (ex. : FlowEZ™ de Fluigent, Pryo de Fareco).

Niveau doctorat – Enseignements

Spécialité «Mathématiques et Contrôle»

École doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (ISMME) de l’Université PSL

Niveau master – Enseignements

• Traitement du signal
• Théorie du contrôle
• Optimisation continue
• Équations différentielles
• Informatique quantique

La recherche menée au CAS vise à faire progresser la théorie du contrôle (automatique). Le centre publie dans les revues et conférences de référence et travaille en lien étroit avec des problématiques industrielles et expérimentales. Les chercheurs recueillent les besoins des acteurs économiques, et les contrats portés par ARMINES et l’École alimentent de nouvelles questions scientifiques.

Les contributions du CAS se concrétisent par des algorithmes exécutés en temps réel sur des systèmes industriels ou expérimentaux développés avec ses partenaires. Le CAS a contribué à des avancées majeures dans des secteurs variés : industrie pétrolière, automobile, électrotechnique, mécatronique et systèmes quantiques.

Automatique non-linéaire

Le CAS développe des méthodes de synthèse de lois de commande en boucle ouverte et fermée, d’observateurs d’état, et d’identification de systèmes pour les systèmes dynamiques non-linéaires. La platitude, les observateurs invariants ou dits de « KKL » en sont des exemples. Ce champ recouvre également l’étude de systèmes industriels dans lesquels la gestion des non-linéarités est critique et non-standard : slugging, stick-slip, saturations magnétiques dans les machines électriques, etc. Plus récemment, le CAS s’intéresse aux systèmes non-réguliers et hybrides, avec des approches variées, allant de l’extension des approches classiques de l’automatique à l’optimisation non-lisse ou au machine learning.

Systèmes de dimension infinie

Le CAS s’intéresse à la commande et l’estimation de systèmes à retards possiblement variables, ainsi que de systèmes d’Equations aux Dérivées Partielles (EDP). Cela regroupe par exemple la théorie de la platitude différentielle, le développement du backstepping pour les systèmes à retard dépendant de la commande, ou la commande frontière d’EDP hyperboliques. Ces travaux ont des applications dans les domaines variés allant du forage au contrôle de moteurs à combustion.

Mathématiques de la décision

Le CAS bénéficie d’une expertise en optimisation de systèmes de grande taille et en commande optimale. Ses travaux théoriques portent sur la gestion des contraintes d’état et de commande, des retards, ou des phénomènes stochastiques pour la commande optimale. Dans le domaine de l’optimisation numérique, le centre exploite la structure sous-jacente des problèmes de grande taille – par exemple dans le cadre de l’optimal power flow – afin de développer des approches de pointe, adaptées aux architectures matérielles. Les travaux du CAS portent également sur l’utilisation des réseaux de tenseurs pour résoudre des problèmes d’optimisation de très grande taille, notamment en physique fondamentale, tels que le problème à n-corps quantique.

Systèmes quantiques

Au sein de l’équipe Quantic, le CAS est un pionnier du développement des qubits de chats et de leur utilisation dans le but de fabriquer un ordinateur quantique. Cet objectif, poursuivi avec la start-up Alice & Bob, structure une partie importante de la recherche du centre dans le domaine : préparation d’état quantiques, codes correcteurs d’erreurs, méthodes perturbatives et schémas numériques pour la résolution de l’équation de Linblad, etc. Parallèlement, le CAS explore le potentiel de nouveaux qubits, comme les qubits GKP qui permettent de s’affranchir à divers degrés de codes correcteurs d’erreur grâce à l’ingénierie de la décohérence reposant sur des circuits Josephson contrôlés par drives micro-ondes.

Durée de vie des qubits de chat

Équipe ENS-INRIA-Mines Quantic, « Contrôle quantique d’un qubit de chat avec des temps d’inversion de bit-flip supérieurs à dix secondes ».

Cette publication marque une avancée majeure en informatique quantique, en démontrant la réalisation d’opérations quantiques sur un qubit d’une grande stabilité. L’évolution réside dans un temps de bit-flip mesuré sur ce qubit qui dépasse les 10 secondes. Cette innovation ouvre la voie à des calculs quantiques plus puissants et plus stables, avec des applications allant de la cryptographie à la modélisation moléculaire, en passant par l’IA.

 

Théorie de la platitude

Fliess, M., Lévine, J., Martin, P., & Rouchon, P. (1995). Flatness and defect of non-linear systems: introductory theory and examples. International journal of control, 61(6), 1327-1361.

Cet article fonde la théorie de la platitude, qui définit des systèmes dynamiques dont les trajectoires sont paramétrables par une sortie et ses dérivées. Cette propriété simplifie la synthèse de lois de commande, notamment la planification et le suivi de trajectoires. Développée pour les systèmes dynamiques non linéaires, l’approche sera étendue à d’autres cadres, dont la commande frontière des Équations aux Dérivées Partielles.

ANAMEL, le logiciel d’optimisation des raffineries

Chebre, M., Creff, Y., & Petit, N. (2010). Feedback control and optimization for the production of commercial fuels by blending. Journal of Process Control, 20(4), 441-451.

Cette publication présente le fonctionnement d’ANAMEL, un logiciel optimisant le mélange de pétrole brut en raffinerie pour obtenir un produit aux propriétés définies. Ce problème, peu instrumenté et aux multiples entrées, est résolu grâce à une approche de commande optimale adaptative. Le produit est déployé dans de nombreuses raffineries TOTAL.

Des structures pour penser l’observation des systèmes non linéaires

Bernard, P. (2019). Observer design for nonlinear systems (Vol. 479). Springer.

Ce livre propose un cadre d’étude décrivant une part importante de l’état de l’art en synthèse d’observateurs d’état pour les systèmes dynamiques non linéaires. En définant un observateur comme la combinaison d’un changement de variable inversible et d’une dynamique appropriée (notamment stable), il explore un ensemble de structures d’où découlent les grandes familles d’observateurs : grands-gains, Luenberger, etc.

Pierre Rouchon, élu membre de l’Académie des sciences en 2025

Pierre Rouchon a été élu membre de l’Académie des sciences en 2025 pour ses contributions majeures à la théorie du contrôle et à l’ingénierie quantique. Spécialiste de l’automatique et des systèmes quantiques, il a notamment développé des méthodes de contrôle en temps réel appliquées aux systèmes quantiques, ouvrant des perspectives nouvelles pour les technologies de l’information et du calcul quantique

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Nicolas Petit, lauréat du Prix Michel Monpetit 2024 de l’Académie des sciences

Nicolas Petit a reçu le Prix Michel Monpetit 2024 de l’Académie des sciences pour ses contributions à la théorie du contrôle et à ses applications industrielles. Ses travaux portent notamment sur le développement d’algorithmes de filtrage et de méthodes de contrôle appliquées à des systèmes complexes, avec des impacts concrets en robotique, en mobilité et en systèmes mécaniques avancés

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HORIZON-JU-CLEANH2-2025 MARINER

Projet d’innovation HORIZON-JU-CLEANH2-2025 MARINER Partnership – Validation and Demonstration of a Reliable, Efficient, Scalable, and Low-Cost PEM Fuel Cell System

Le programme conçoit et assemble une pile à combustible à membrane échangeuse de protons d’1MW. Cet objectif doit être assorti d’une roadmap vers une pile de 10 MW. Ces puissances colossales sont nécessaires pour la propulsion de navires. Le CAS participe à la conception des lois de commande et de l’estimation de l’état de santé de la pile.

BOURSES DU CONSEIL EUROPEEN DE LA RECHERCHE (ERC)

Quantum Feedback Engineering

Projet Q-Feedback dirigé par Pierre Rouchon

Le projet développe des méthodes de contrôle pour protéger les ressources essentielles des systèmes quantiques, telles que les cohérences et intrications, contre les perturbations externes. L’objectif est de rendre les qubits plus robustes, afin de renforcer les technologies quantiques pour les calculs, les communications et les capteurs.

ECLIPSE

Projet dirigé par Zaki Leghtas, financé par un ERC Starting Grant

Le projet vise à rendre les qubits plus fiables en utilisant des circuits supraconducteurs et des états de « chat de Schrödinger » pour les protéger des perturbations, avec l’objectif de créer des ordinateurs quantiques plus puissants et sécurisés.

 QFT.zip

Projet  dirigé par Antoine Tilloy

Le projet utilise les réseaux tensoriels pour modéliser les systèmes quantiques complexes, en compressant les informations essentielles. Il vise à améliorer les simulations en physique quantique, avec des applications potentielles en chimie et informatique quantiques.