In elettronica digitale si possono presentare problemi simili (per quanto ho capito) a quello che hai descritto, a causa delle "corse critiche" e degli "spike". In pratica un circuito con un difetto di progetto presenta anomalie perché un segnale arriva troppo presto o troppo tardi, e se non ci si è premuniti contro questa evenienza possono apparire funzionamenti anomali.
Esistono software di simulazione elettronica che tengono conto dei ritardi di porta logica e permettono di vedere che cosa succede. Bisognerebbe "tradurre" in modo plausibile il tuo circuito elettromeccanico in logica elettronica, poi simularlo e vedere che cosa succede.
Temo però che la traduzione non sia tanto facile e le possa sfuggire proprio quella particolarità del tuo circuito che causa l'anomalia.
Un altro modo è effettuare l'analisi sul circuito stesso, utilizzando un analizzatore di stati (vedi
questa recensione per esempio) e visualizzando su PC la sequenza temporale dei livelli logici in vari punti.
Per adattarlo a ricevere gli stati da un circuito elettromeccanico bisogna però adattare i livelli del segnale, con partitori di tensione o meglio ancora con fotoaccoppiatori, per mantenere l'analizzatore protetto contro sovratensioni e galvanicamente isolato dal circuito sotto prova.
Poi bisogna riprodurre il malfunzionamento e andare a vedere che cosa succede alla sequenza dei vari segnali elettrici, confrontandola con la sequenza attesa.
Se i segnali da analizzare contemporaneamente sono pochi (per esempio 4) puoi in alternativa usare un oscilloscopio a 4 tracce, verificando che possa accettare in ingresso i livelli di tensione utilizzati dal tuo circuito. Così non devi realizzare interfacce apposite per l'analizzatore di stati.