В 1993 г., когда в состав лаборатории вошли бывшие сотрудники лаборатории В.С. Пугачева, профиль работ лаборатории сместился в сторону теоретических и практических исследований моделей стохастических систем в условиях неопределенности. За последние 20 лет лаборатория имела опыт практической разработки таких моделей при описании распространения и приема сигналов в радиотехнических и гидролокационных комплексах (И. И. Паишев, А. В. Добровидов), при обработке и сжатии оптических и радиоизображений (О. С. Агаронян, А. В. Добровидов). С 1993 по 1996 гг. в лаборатории были получены интересные результаты по сжатию изображений с использованием косинус-преобразований и фрактальных методов сжатия, приводящих к большим коэффициентам сжатия.

В 2004 г. заведующим лаб. № 21 назначен д.ф.-м.н. Александр Викторович Добровидов. В отличие от классических подходов к решению статистических задач и созданию математических моделей систем, в лаб. № 21 придерживаются более реалистического подхода, когда предполагается, что исходная информация о структуре систем, сигналов и помех известна не полностью, а в ряде случаев такая информация весьма скудна. В этом случае основные усилия предпринимаются для решения задач синтеза так, чтобы качество получаемого решения было близко к качеству решения соответствующих оптимальных задач с полной информацией. Примером подобного решения задач самообучения является созданная в лаборатории теория непараметрического оценивания сигналов (А.В. Добровидов), приводящая к асимптотически оптимальным результатам при неполной информации о полезных ненаблюдаемых сигналах. Это означает, например, что удается построить близкие к оптимальным процедуры фильтрации, интерполяции и прогноза при неизвестных уравнениях состояния ненаблюдаемого полезного сигнала. Основные результаты теории опубликованы в двух монографиях: “Непараметрическое оценивание сигналов” ( Физматлит,  1997), и “Непараметрическое оценивание функционалов от распределений стационарных последовательностей”(Наука, 2004).