本发明公开了一种基于轧制补偿应力的冷却过程残余应力改善方法，涉及热轧板形控制技术领域。获取层流冷却后带钢的残余应力分布情况；以层流冷却后带钢残余应力分布情况作为调控目标，建立临界轧制补偿应力方程，并结合自平衡方程确定轧制过程中需要的轧制补偿应力。通过屈曲模型和能量法求解补偿应力下精轧出口带钢屈曲浪形函数，以此表征带钢的平直度，并利用有限元模拟带钢层流冷却后状态，对比分析确定采用轧制补偿应力方法对改善带钢平直度和内应力分布具有较好的效果。该方法无需改变冷却过程就能解决热轧带钢轧后层流冷却过程存在带钢平直度缺陷和应力分布不均的问题，达到改善残余应力分布的效果，减少带钢平直度缺陷。